电解液化学保护锂金属电池负极的研究进展

锂金属电池被认为是最具潜力的高能量密度储能器件之一,但是锂金属电池负极低库仑效率及不可控的枝晶生长等问题阻碍了其商业化进程.在锂金属电池中,电解液会直接参与固态电解质界面膜(SEI)的形成,对锂金属负极的库仑效率、枝晶生长等产生重要影响.传统LiPF6基酯类电解液中,锂金属库仑效率低,且锂枝晶现象严重.近年来通过电解液添加剂、溶剂、锂盐以及锂盐浓度等途径调控电解液化学,在锂金属负极保护上取得了显著效果.例如,采用与锂金属负极兼容性更佳的醚类溶剂,可以降低电解液与锂金属的反应性;采用多种添加剂与新型锂盐复配可以有效抑制锂枝晶的形成;采用高浓度锂盐电解液,可以形成稳定SEI膜等.本文综述了锂枝晶的生长原理以及通过溶剂、锂盐、添加剂和高浓度电解液等策略调控电解液化学保护锂金属电池负极的研究现状,总结了各种途径的优势及局限性.并对锂金属电池电解液的发展提出了新的见解,以激发新的策略面对锂金属电池后续的挑战.     

合金材料在锂金属负极中的应用研究进展

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量,是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而,锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略,可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点,在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质,综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展;最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题,并提出加强基础理论研究等建议。     

锂金属电池中复合固态电解质与负极界面的研究进展

与传统锂离子电池相比,全固态锂金属电池因其安全性好、能量密度高的特点备受关注.但是电极与固态电解质的固固接触带来较大的界面阻抗,而锂金属较为活泼易与固态电解质发生反应,造成了界面不稳定.界面问题已经成为制约全固态电池发展的关键因素之一.有机-无机复合固态电解质兼顾无机固态电解质和有机固态电解质的优势,具有较高离子电导率和一定的力学强度,展现出优异的实用化前景.本文综述了近年来复合固态电解质与金属锂负极界面改性的研究进展,总结了当前界面改性的主要研究思路:包括在界面构筑"软接触"、调节固态电解质的力学性能以及调控界面处锂离子的沉积动力学过程等.同时,也对今后界面改性的研究趋势进行了展望.     

合金材料在锂金属负极中的应用研究进展EI北大核心

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量,是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而,锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略,可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点,在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质,综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展;最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题,并提出加强基础理论研究等建议。     

人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的应用研究EI北大核心CSCD

锂金属具有最低的氧化还原电位(-3.04V vs标准氢电极)和极高的比容量(3860mAh·g^-1),是理想的锂二次电池负极材料.然而电化学循环过程中,由于锂的不均匀成核生长,其表面产生锂枝晶,锂枝晶持续生长会刺穿隔膜,造成电池短路甚至引发火灾.因此需要对锂金属负极进行保护,抑制负面问题,发挥高性能.人造固态电解质界面技术是一种有效的锂金属负极保护策略,本质是预先在锂金属表面涂覆上保护层,保护层具有较高的离子传导性和电化学稳定性、较好的阻隔性和机械强度,可得到高效率、长寿命和无枝晶的锂金属负极.本文将近年来人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的研究进展进行综述,对其制备方法、结构特点、锂金属负极循环性能、全电池电化学性能等方面作了详细介绍,分析当前存在问题并指出锂金属负极研究不仅需要加深机理研究还得与实际应用相结合.     

全固态锂电池中金属锂负极及其界面设计的研究进展

锂金属具有低的氧化还原电位(-3.04 V vs标准氢电极)和高比容量(3860 mAh/g),是理想的锂二次电池负极材料.由金属锂负极/固态电解质/嵌锂正极组装的固态锂电池,有望成为未来航空航天、机器人、高端电子和电动汽车等相关技术产业的动力源.然而,在充放电过程中,由于锂的不均匀沉积-溶解造成锂与电解质接触面产生大量树枝状枝晶,并沿着电解质方向不断生长,最终造成电池内部短路而失效.使用较高杨氏模量的固态电解质,可以很大程度上阻挡锂枝晶的生长,但仍不能满足电池长循环和安全性的要求.此外,金属锂与固态电解质表面是固固接触,造成了界面电阻大以及金属锂与固态电解质的界面反应等问题,这严重阻碍了固态锂金属电池的发展与使用.本文综述了近年来基于固态电解质的金属锂电池抑制锂枝晶生长和提高固固界面相容性的相关策略,并对金属锂/固态电解质界面设计的发展趋势进行展望.     

炭材料在锂金属电池中应用进展

金属锂作为下一代高能量密度电池的负极材料,具有广阔的应用前景.然而,金属锂的沉积/剥离过程常伴随着高曲折度的枝晶的形成,导致电池寿命短,甚至会诱发安全隐患.迄今为止,研究者们已开发出多种方法来抑制枝晶生长和调节固体电解质界面膜的均匀性.炭材料因其轻质、高导电、多级多孔、化学和物理稳定特性被设计成不同种类的材料来用于稳定...     

聚合物固态电解质-锂负极界面的研究进展

固态锂电池是新能源领域最有希望的下一代高能量密度电池体系之一。本文以聚合物固态电解质-锂负极界面的构型特征和形成机理为基础, 系统讨论界面接触性、界面化学和电化学反应、锂负极枝晶生长等问题对二者之间的界面稳定性与兼容性的影响。基于此, 本文重点阐述了掺杂改性、结构设计等手段在三种聚合物基体与锂负极之间的界面的应用。此外, 本文还综述了常见界面表征手段及其在聚合物固态电解质-锂负极界面的应用情况。最后, 基于设计和构筑稳定的聚合物固态电解质-锂负极界面的相关策略, 本文对掺杂、核层设计等界面优化手段的发展前景进行分析与展望。     

石墨烯基材料在高性能锂金属电池中的研究进展

由于相对较低的能量密度,商用锂离子电池(LIB)难以满足便携式电子和电动汽车对储能设备能量密度日益增长的需求.锂(Li)金属具有高理论比容量(3860 mAh?g?1)和低的密度(0.59?g?cm?3),被认为是下一代高能密度锂电池最具前途的负极之一,如Li-S和Li-O2电池.?然而,由于固态电解质界面层的不稳定,...     

石墨烯/锂金属复合材料的制备和电化学性能

对于高能量密度锂金属电池体系,安全、稳定的锂负极材料是关键。采用微波还原、热还原和机械剥离方法制备了3种具有不同形貌结构的石墨烯,并通过压制和叠层工艺,制备出石墨烯/锂金属复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和N₂吸脱附曲线分析了不同石墨烯材料的形貌、组成、结构以及石墨烯/锂金属复合材料的形貌。同时采用Li||Li对称电池和LiFeO₄全电池,评价了石墨烯/锂金属复合材料作为负极的电化学性能。结果表明,石墨烯/锂金属复合材料具有层状结构,在微波还原石墨烯(MRGO)、热还原石墨烯(RGO)和机械剥离石墨烯(EG)中,MRGO最适用于改性金属锂,叠层3次得到的4MRGO/3Li复合材料具有最优的电化学性能。基于4MRGO/3Li的Li||Li对称电池在9.9 mV左右的极化电压下稳定循环1200圈,相对于纯锂金属,极化电压降低10.6 mV,安全性和稳定性大大提升。以4MRGO/3Li复合材料为负极的LiFeO₄全电池稳定循环800圈后,放电容量保持为156 mAh/g。     

锂金属负极的改性策略的研究进展

金属锂是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料.但锂具有高的反应活性和还原性,造成其SEI膜不稳定、锂枝晶生长和体积膨胀效应等问题,从而限制了锂金属电池的实际应用.基于锂负极存在的问题,综述了锂负极、隔膜、人工SEI膜、电解液和固体电解质的改性策略,并对其未来的研究方向进行了展望.     

锂离子电池负极材料钛酸锂的研究进展

锂离子电池作为一种动力能源, 在电动汽车和各种储能系统中有着良好的应用前景。尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)负极材料具有较高的脱嵌锂电位平台、优异的循环稳定性、以及突出的安全性能, 被认为是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料, 在锂离子动力电池中具有巨大的发展潜力。然而, 尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂存在着本征导电率低, 理论容量小等缺陷, 极大地限制了其规模化应用, 需要进一步改善和提高。本文总结了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂材料在结构形貌、制备方法和性能方面的研究进展, 深入分析和讨论了离子掺杂、碳表面改性和纳米化等改性方法对尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂综合电化学性能的改善效果, 并展望了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池负极材料未来的发展方向。     

全固态锂硫电池中界面问题的研究现状

由于锂金属负极的理论比容量和固态电解质的安全性高,全固态锂硫电池越来越受到研究者的青睐.与液态锂硫电池相比,全固态锂硫电池最大的不同在于使用固态电解质替换了液态电解质,且固态电解质材料不可燃,因此有着更高的安全性.此外,经过优化处理后的固态电解质有着足够的机械强度,可以有效抑制锂枝晶的产生.同时在产品的制备和运输方面,全固态电池也有着更大的优势.然而,全固态电池中存在着大量的固固界面,这些固固界面会导致在循环过程中产生界面电阻、体积畸变等一系列问题,会制约全固态锂硫电池的商业应用.因此,近年来学者们对固固界面进行了广泛的研究,不断改进制备工艺,表征界面变化过程,并对离子迁移路径进行了模拟和验证.目前,全固态锂硫电池已经有部分投入了商业应用.全固态锂硫电池主要包括含硫正极、锂金属负极和固态电解质,而固态电解质主要分为无机固态电解质和有机固态电解质两大类.因此,对固态电解质界面的研究也可以分为两大类:一类是固态电解质内部界面,包括无机电解质与无机电解质之间的界面或者无机电解质与有机电解质之间的界面,该界面主要对离子电导率有着重要影响;另一类主要包括固态电解质与正负极之间的界面,对电池的化学稳定性、体积稳定性和离子电导率等均存在较大的影响.近年来,研究者发现通过改变混合方法、粒径、多孔基体和体积压力等能够有效改善界面.同时,随着表征技术的发展,越来越多的原位界面表征技术能够更加直观地展现界面的变化状态.本文系统性地阐述了全固态锂硫电池的内、外界面存在的问题和研究现状,并探讨了全固态锂硫电池未来的发展趋势和研究重点,以期为制备稳定、高性能的全固态锂硫电池提供参考.     

金属锂负极的关键技术与研究进展

综述了近几年科研工作者基于金属锂负极本身的改性的最新研究进展。金属锂的理论质量比容量达3860 mAh/g,密度为0.534 g/cm^3,标准还原电位为-3.045 V,这些优势使得金属锂成为下一代理想的锂二次电池(如锂硫、锂空气电池等)的负极材料。然而,锂离子的不均匀沉积导致的锂枝晶生长、体积膨胀及其随之带来的电池安全隐患和循环寿命的降低等缺陷严重困扰着金属锂电池的发展。本文从机械地增加锂负极的表面积、锂合金负极及混合锂负极、锂负极表面层以及二维三维基底四个方面对金属锂负极的改性进行分析。最后提出要实现金属锂电池的产业化,应从解决锂枝晶和体积膨胀两个方面,通过结合不同改性方法进行研究探索。     

锂硫电池锂负极保护策略及研究进展

锂硫电池作为一种新型储能体系,具有高比容量(1 675mAh/g、高能量密度(2 500Wh/kg)以及原材料价格低廉、对环境友好等优势,研究其在电动汽车、无人机、便携式电子设备和智能电网等领域的应用具有重要意义.但锂硫电池的产业化道路仍面临重重阻碍,硫及其还原产物的绝缘性、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶等严重影响了电池的...     

锂离子电池炭负极材料结构及嵌锂机理研究进展

炭材料取代金属锂作为负极后,锂离子电池在商业应用上取得了成功,并以其高能量密度在各种电子设备上广泛使用.锂离子电池的性能很大程度上取决于炭负极材料的微观结构,不同种类的炭材料其电化学性能有很大差别.对近几年所研究的可逆储锂炭材料进行了综述,着重总结了炭负极材料的种类、结构及其嵌锂机理,并展望了锂离子电池炭负极材料的研究进展.     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料,但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题,本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料,HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度,丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积,从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^-2、沉积电量为1.0 mAh·cm^-2条件下可以循环超过250周次,其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO₄)正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO₄全电池,在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^-1,较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO₄全电池(60.8 mAh·g^-1)提升了32.8 mAh·g^-1。     

金属铋纳米颗粒原位修饰碳纳米管促进锂均匀沉积

锂金属具有高理论比容量和低电化学电位,是发展高能量密度电池最有吸引力的负极材料之一。然而,锂金属负极在反复的沉积/剥离过程中,不可避免地会出现不规则的锂枝晶生长,这将严重影响锂金属电池的循环寿命和使用安全性。本研究发展了一种简单温和的策略,在碳纳米管上原位修饰铋纳米颗粒,并涂覆在商业铜箔表面用作锂金属负极的集流体。研究表明,原位修饰的铋纳米颗粒可显著促进锂均匀沉积,抑制锂枝晶生长,从而提高锂金属电池的电化学性能。在电流密度为1 mA·cm^–2的条件下,基于Bi@CNT/Cu集流体的锂铜电池循环300圈后库仑效率可稳定在98%。基于Li@Bi@CNT/Cu负极的对称电池可稳定循环1000 h。基于Bi@CNT/Cu集流体的磷酸铁锂(LFP)全电池也获得了优异的电化学性能,在1C(170m A·g^–1)倍率下可稳定循环700圈。本研究为抑制锂金属负极枝晶生长提供了新的思路。     

高比容量负极/正极材料炭载体在锂/钠离子电池研究进展

随着对清洁能源需求的不断增加,二次离子电池已成为研究热点,开发具有高比容量的负极/正极材料尤为重要.合金化反应机制的硅、磷、锗、锡负极和硫正极材料存在较高的体积膨胀率,其中磷和硫较差的导电性以及可溶性中间产物的穿梭效应限制了实际应用.沉积/溶解机制的金属负极枝晶问题使其不能单独作为负极材料使用.炭材料由于其来源广泛以及...     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能EI

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料,但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题,本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料,HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度,丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积,从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^(-2)、沉积电量为1.0 mAh·cm^(-2)条件下可以循环超过250周次,其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO_(4))正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO_(4)全电池,在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^(-1),较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO_(4)全电池(60.8 mAh·g^(-1))提升了32.8 mAh·g^(-1)。