锂金属负极用集流体改性研究及进展

金属锂具有超高理论比容量密度(3680 mA·h/g)和低还原电位(-3.04 V,相对标准氢电极),被认为是高能量密度电池负极材料的"圣杯".然而,由锂枝晶生长和对电解质高反应性所造成的库仑效率低、循环寿命短、内短路等一系列问题,严重制约着金属锂负极的实用化进展.在实际的电化学体系中,集流体作为金属锂沉积/脱出的基底,其表面性质对锂负极的循环稳定性起着至关重要的作用.本文从负极集流体表面成分以及微结构设计两方面系统总结了多种稳定金属锂负极的界面修饰策略,包括构建亲锂表面、纳米级电子/离子混合导电网络修饰、表面微结构设计等.对集流体界面和结构进行针对性修饰,可以有效调控金属锂的电沉积,推进金属锂负极在高能量密度电池体系中的实用化进程.     

Project “High-energy solid-state lithium metal batteries based on nanostructured materials”

以金属锂作为负极的可充放锂二次电池从理论上分析具有很高的能量密度。但是在使用液态电解质的金属锂电池内部,充放电过程中金属锂表面会形成孔洞和枝晶,导致锂电极粉化。锂枝晶可能会刺穿多孔聚合物隔膜造成电池内短路,粉化后的锂电极与液态电解质间的界面副反应会更为严重,导致界面电阻增加并带来易燃烧。2016年科技部立项的国家重点研发计划纳米科技重点专项“高能量密度纳米固态金属锂电池研究”将研究开发能量密度大于400 W•h/kg的纳米固态金属锂电池,解决金属锂电池面临的循环性和安全性难题。通过该项目的实施,有望实现纳米科技由基础研究到产业应用的飞跃,推动纳米科技产业发展,为下一代高能量密度锂二次电池关键材料与技术发展奠定坚实的科学基础,为高端消费电子、电动汽车、国家安全、航空航天、规模储能等相关产业的发展提供关键支撑。     

石榴石型Li7La3Zr2O12固态锂金属电池的界面问题研究进展

固态锂金属电池具有高能量密度、高安全性、宽工作温度范围、长服役寿命等优势,是下一代锂电池体系的重要发展方向之一.作为典型的氧化物固态电解质,Li7La3Zr2O12(LLZO)具有锂离子电导率高、电化学窗口较宽、机械强度高和热稳定性好等优点,因此LLZO固态锂金属电池受到业界的广泛关注.但是,LLZO固态锂金属电池还存在锂枝晶穿透固态电解质生长造成电池短路、电解质/电极界面电阻过高等问题,影响其实际应用.这些问题与LLZO的显微结构特征、正极材料与LLZO的化学和电化学相容性、正极与电解质的界面结合性、金属锂负极对LLZO的浸润性等因素有关.本文总结了以上问题的解决策略.对于正极侧,通过活性颗粒表面包覆、三维固态电解质界面构筑、柔性聚合物或凝胶电解质中间层引入、正极活性颗粒与柔性或黏性离子传导材料复合等手段,可改善正极与LLZO的相容性,并降低正极界面电阻.对于负极界面,消除LLZO电解质表面碳酸锂、引入反应活性或柔性中间层、调控金属锂负极组成等方法,可改善锂对LLZO的浸润性,降低负极界面电阻.最后,本文对未来研究和发展方向给出了建议.     

锂电池百篇论文点评(2021.12.1—2022.1.31)北大核心CSCD

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2021年12月1日至2022年1月31日上线的锂电池研究论文,共有3795篇,选择其中100篇加以评论。正极材料方面主要研究了高镍三元、富锂正极材料的包覆和掺杂改性,以及其在高电压下所发生的表面和体相的结构演变。金属锂负极的研究包含金属锂的表面修饰、三维结构设计及其沉积形态和均匀性的研究。合金化储锂负极材料的研究侧重于复合电极结构设计和各类黏结剂的开发,以缓解循环过程中负极材料的体积变化,维持电极完整性。固态电解质的研究主要包括对现有固态电解质的合成、掺杂、结构设计、稳定性和相关性能研究以及对新型固态电解质的探索。而其他电解液和添加剂的研究则主要包括不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配的研究,以及对新的功能性添加剂的探索。固态电池方向更多关注于复合正极设计和界面修饰和影响锂枝晶生长的因素。其他电池技术偏重于基于催化、高离子/电子导电基体的复合锂硫正极构造以及“穿梭效应”的抑制。电池测试技术方面涵盖了对Li金属的沉积形貌及SEI、快充放条件下正极材料各性质、固态电池的界面问题的观测和分析。理论计算涉及掺杂固体电解质电导率、固态电池中界面应力分析等进行了探讨。而界面问题侧重于关注固体电解质和Li金属负极界面稳定性。此外,电极预锂化研究论文也有多篇。     

聚合物改性锂金属电池界面策略研究综述北大核心CSCD

锂金属负极长期以来一直被认为是储能电池领域的“圣杯”,但负极表面枝晶的生长和锂金属的持续损耗使得锂金属电池无法稳定循环,甚至存在安全隐患,阻碍了其实际应用。为了解决枝晶生长和负极锂的损耗问题,研究人员提出了不同的界面改性方法。其中有机聚合物具有官能团丰富和结构多样的特点,在诱导锂离子均匀沉积和缓解体积效应方面具备优势,在锂金属负极改性中受到研究者青睐。本文分别从集流体改性、隔膜改性以及人工SEI膜构建的角度,介绍了聚合物应用于锂离子电池界面修饰的研究现状、发展趋势以及关键科学问题;分析了用于界面修饰聚合物的结构设计准则,探讨了聚合物的界面修饰方法,阐明了聚合物界面抑制枝晶生长、缓解体积效应的机制,最后对金属锂负极未来的研究方向和发展趋势进行了展望。     

锂电池百篇论文点评（2022.12.1—2023.1.31）

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“battery*”为关键词检索了Web of Science从2022年12月1日至2023年1月31日上线的锂电池研究论文,共有3084篇,选择其中100篇加以评论。正极材料的研究包括高镍三元材料、镍酸锂和镍锰酸锂的掺杂改性和表面包覆层来稳定结构及抑制界面副反应。负极材料的研究重点包括硅基负极材料、金属锂负极和无负极技术。其中硅基负极材料的相关研究集中在通过表面包覆、界面构建和开发新黏结剂体系来缓解体积膨胀问题。金属锂负极和无负极集流体的界面构筑受到重点关注和研究。固态电解质的研究内容主要包括对硫化物固态电解质、聚合物固态电解质与硫化物-聚合物复合电解质相关的合成、电解质薄膜制备以及电解质-电极界面构筑。液态电解质方面的研究集中在使用添加剂进行电解质-电极界面设计和调控。针对固态电池、正极材料的表面包覆、复合正极制备以及锂枝晶及界面副反应抑制有多篇文献报道。其他电池技术主要偏重液态锂硫电池正极设计。表征分析涵盖了化学成分和电池失效分析、锂除沉积行为和负极SEI。理论模拟工作涉及电池性能预测和电解质设计。电池中电解质与正负极的...     

锂电池百篇论文点评(2021.2.1-2021.3.31)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以"lithium"和"batter*"为关键词检索了 Web of Science从2021年2月1日至2021年3月31日上线的锂电池研究论文,共有2566篇,选择其中100篇加以评论.本文对层状氧化物正极材料的研究集中在掺杂、包覆、前驱体及合成条件、循环中的结构变化,其中,高镍三元材料是讨论的重点.硅基负极材料方面关注体积膨胀及其带来的后续问题,相关研究内容包括对硅颗粒的包覆、复合硅基负极及其结构调控.金属锂、碳负极和氧化物负极等其他负极也有涉及,其中,对金属锂负极界面的研究和三维结构负极设计是重点.固态电解质的研究主要包括对硫化物固态电解质、氧化物固态电解质、聚合物-氧化物复合固体电解质的合成、掺杂以及相关性能研究.液态电解液方面主要为针对适应高电压三元层状氧化物正极和金属锂负极的电解液及添加剂研究,还有添加剂对正/负极界面层的调控作用和对石墨、硅负极的性能提升.对于固态电池,复合正极制备和设计、活性材料的表面修饰、锂金属/固态电解质界面等都是主要研究内容.其他电池技术偏重于基于催化、高离子/电子导电基体的复合锂硫正极构造以及"穿梭效应"的抑制.表征分析部分涵盖了金属锂沉积,石墨和硅负极的体积膨胀问题,正极的微结构、过渡金属元素溶解和产气以及固态电池中电解质分解、界面接触损失等问题.理论模拟工作涉及固态电池中界面接触损失、锂负极的沉积和剥离、电极界面稳定性.界面主要涉及固态和液态电池中SEI及其可视化表征.     

固态硫化物电解质与锂金属负极的界面稳定性研究进展

采用固态电解质和金属锂的全固态锂电池被认为是解决传统使用液态电解质的锂离子电池安全性差和能量密度低的终极方案。近年来,固态硫化物电解质在离子电导率和空气稳定性研究等方面取得了较大进展,但固态硫化物电池体系还有一些问题亟需解决,最为重要的就是固态硫化物电解质与锂金属负极的界面稳定性问题。因此,构建稳定的固态电解质/锂金属负极界面是实现高性能全固态锂电池的关键。该文针对目前基于硫化物电解质的全固态锂电池所面临的机遇和挑战,总结了固态硫化物电解质/锂金属负极界面所面临的问题和设计策略。     

锂电池百篇论文点评（2022.2.1—2022.3.31）

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter~*”为关键词检索了Web of Science从2022年2月1日至2022年3月31日上线的锂电池研究论文,共有3128篇,选择其中100篇加以评论。层状正极材料的研究集中在高镍三元材料、镍酸锂、钴酸锂和富锂相材料,其相关研究关注表面包覆层、前驱体及合成条件、循环中的结构变化。负极材料的研究重点包括对硅颗粒的包覆,具有三维结构的硅/碳、硅/锡复合材料。金属锂负极的界面构筑及三维结构设计受到重点关注和研究。固态电解质的研究主要包括对硫化物固态电解质、氧化物固态电解质、聚合物与氧化物固体电解质复合材料的合成以及相关性能研究。液态电解液方面包括适应高电压正极材料及提升金属锂负极、石墨负极电池性能的添加剂与溶剂研究。针对固态电池,复合正极制备、双层电解质结构、锂界面枝晶及副反应抑制有多篇,其他电池技术主要偏重液态锂硫电池正极设计。表征分析涵盖了锂扩散、SEI形成、硫化物电解质的电化学与化学稳定性等方面。理论模拟工作涉及三元材料掺杂、电解液物化性质以及新型固态电解质搜寻,电池中电解液与正负极的界面以及固态电解质与Li的界...     

锂电池百篇论文点评(2020.10.01—2020.11.30)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science从2020年10月1日至2020年11月30日上线的锂电池研究论文,共有2731篇,选择其中100篇加以评论.层状正极材料主要研究了高镍三元材料和富锂相材料中的氧氧化还原机制,掺杂和表面包覆是常用的改性方法.硅基复合负极材料的研究重点包括负极嵌锂的体积膨胀问题以及通过引入新的黏结剂和在材料表面预形成SEI等方法提升材料的循环性能,有关负极的研究工作还包括Ti2Nb10O29负极、还原氧化石墨烯及其复合材料负极、三维碳负极材料等.电解液添加剂的研究包括适用于高电压三元材料、富锂材料、高电压磷酸钴锂材料、锂硫电池和厚电极的功能电解液添加剂.固态电解质的研究对象涵盖硫化物固体电解质、聚合物与硫化物/氧化物固体电解质复合材料、硅掺杂的Li6PS5I和硼酸锂掺杂的Li7La3Zr2O12等.无机电解质和无机/聚合物复合电解质固态电池、锂硫和锂空气电池的论文也有几篇.表征分析偏重于固液界面SEI、金属锂沉积过程、锂在电极中的空间分布he1电池气胀问题等.理论模拟工作涉及SEI形成机制以及厚电极电池的动力学等.     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Feb. 1, 2018 to Mar. 31, 2018)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter^*”为关键词检索了Web of Science从2018年2月1日至2018年3月31日上线的锂电池研究论文,共有2731篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料和有机物正极材料,材料结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响以及富锂材料的氧参与氧化还原反应的机制受到重视。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。电解液添加剂、新型固态电解质、固态电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇关于电池界面及材料分析方法的研究论文。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Aug.01, 2019 to Sep. 30, 2019)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述，以"lithium"和"batter^*"为关键词检索了Web of Science从2019年8月1日至2019年9月30日上线的锂电池研究论文，共有3077篇，选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层，金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理，理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析等。除了以材料为主的研究之外，还有多篇针对电池分析技术的研究论文。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Dec.1,2018 to Jan.31,2019)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter^*”为关键词检索了Web of Science从2018年12月1日至2019年1月31日上线的锂电池研究论文,共有2472篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基和锡基复合负极材料研究侧重于嵌脱锂机理以及SEI界面层,金属锂负极的研究侧重于通过集流体和表面覆盖层的设计以及电解液添加剂来提高其循环性能。固态电解质、电解液添加剂、固态电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于界面SEI和电极反应机理,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池分析、电池管理系统技术的研究论文。     

金属锂电极的原位物理表征CSCD

伴随着人们对储能设备需求的不断提高,开发高能量密度的二次电池引发了广泛的关注。金属锂以其低密度、高理论比容量、最低的还原电势等优势成为了高性能二次电池负极材料的首选。然而金属锂负极在应用于锂二次电池时最大挑战是安全性和循环稳定性问题。金属锂沉积过程中易形成枝晶,锂枝晶的形成和持续生长将导致电池内部短路,枝晶断裂形成死锂导致不可逆容量增大,循环稳定性降低。进入20世纪90年代以后,观测和测试技术的进步不仅将人们的视线扩展到了锂枝晶现场生长层面,而且为锂枝晶的调控提供了有效途径。通过物理表征金属锂电板,探究锂枝晶生长行为,从而研究其生长机理与影响因素,有助于提出新的方法来提高金属锂电极的安全性、利用率和循环寿命。本文综述了近年来金属锂电极物理观测方面的研究进展,总结了现有的物理表征手段,对锂金属枝晶物理表征下一步发展进行了展望。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Apr. 1, 2018 to May 31, 2018)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以"lithium"和"batter^*"为关键词检索了Web of Science从2018年4月1日至2018年5月31日上线的锂电池研究论文,共有1807篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的结构和表面结构随电化学脱嵌锂变化以及掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料研究侧重于电极结构和电解液添加剂改进,金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层的设计来提高其循环性能。电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池的论文也有多篇。原位分析偏重于固态电池的界面,理论模拟工作涵盖储锂机理、动力学、界面SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇关于电池分析的研究论文。     

固态锂电池复合固态电解质研究进展

固态锂电池因质量轻、安全性高、能量密度大、循环寿命长等优点而备受关注,具有广阔的应用前景。其工作原理与传统锂电池基本相同,最大的区别在于电解质不同,固态锂电池采用固态电解质。作为全固态锂离子电池的核心部件,固态电解质的研发是固态锂电池发展的关键因素。目前单一的固态电解质存在着离子电导率低、锂沉积产生锂枝晶而刺穿隔膜、界面不稳定等问题,无法很好地满足固态锂电池的性能要求。而由无机填料和聚合物固态电解质复合而成的复合固态电解质,兼具多种固态电解质的优点,具有稳定的物理和电化学特性,近年来的研究使得离子电导率和电化学稳定性得以提升,综合性能超越了单一的固态电解质。通过精确控制复合固态电解质的组分和结构,可以实现对其各方面物理化学性质的调控。未来的重点研究方向是调整改进复合固态电解质中各种材料的比例,或者探索具有更优异性能的电解质及其辅助材料,开发综合性能优异的新型固态电解质材料。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries （April 1，2016 to May 31，2016）

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,我们以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2016年4月1日至2016年5月31日上线的锂电池研究论文,共有1679篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了三元材料、富锂相材料和尖晶石材料的掺杂和表面包覆及界面层改进对其循环寿命的影响。硅基复合负极材料和金属锂负极研究侧重于SEI界面层、复合材料、黏结剂及反应机理研究,电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池、锂空气电池的论文也有多篇。理论模拟工作侧重于正极材料结构、SEI形成机理分析和固体电解质等。除了以材料为主的研究之外,还有多篇针对电池界面、电极结构和性能分析的研究论文。     

钠金属负极人工界面保护层的研究进展北大核心CSCD

钠金属负极由于其高的比容量、低的氧化还原电位以及资源优势被认为是钠电池极佳的负极材料。然而,不稳定的固体电解质界面(SEI)以及钠枝晶生长问题严重阻碍了其实际应用。因此,采用适当的保护策略实现钠金属负极稳定及高效循环是非常必要的。通常在钠金属负极表面构建人工界面层不仅可以有效实现钠均匀沉积/剥离,而且可有效缓解钠金属负极在电化学过程中的体积变化以及抑制钠枝晶生长。为此,该综述归纳总结了人工界面层策略改善钠金属负极的研究进展。首先讨论了自发形成的SEI膜的基本性质,其存在稳定性差、韧性差、机械强度低等问题。针对此,提出构建无机、有机和无机-有机复合人工界面层保护钠金属负极,实现无枝晶钠沉积/剥离。含钠无机材料通常具有高剪切模量、耐腐蚀、结构稳定、高离子电导率等优点,但脆性大;有机材料通常具有结构可设计性、官能团多样性以及高机械韧性特点,但稳定性较弱;无机-有机复合保护膜结合了上述两者的优势,可构建综合性能优异的人工界面层。文中详细阐述了这三种人工界面膜的实施方法与改性效果。最后,建议对人工界面膜持续优化以及采用先进表征技术、理论计算和模拟等深入研究界面稳定性机理。     

Failure mechanisms and characterization techniques for solid state polymer lithium batteries

固态聚合物锂电池具有高能量密度和高安全性的优点,有望解决新能源汽车的续航里程焦虑和安全问题。但是,现有的固态聚合物锂电池存在容量衰减快、过充、产气、内短路、日历失效等电池失效问题。而且,由于聚合物电解质不耐辐照,其较强的界面黏附性使得电极/电解质界面难以剥离,导致缺乏合适的表征技术深入研究固态聚合物锂电池的失效机制,这极大的限制了科学家对电池失效机制的深入理解,制约了电池失效解决方案的发展。因此,本文从锂枝晶生长、正极结构演变与机械失效、界面微结构演变和界面反应、聚合物电解质结构变化的角度出发,回顾了固态聚合物锂电池失效机制及其表征技术的研究进展,阐述了固态聚合物锂电池失效机制的研究思路。     

锂电池百篇论文点评(2021.6.1—2021.7.31)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以"lithium"和"batter*"为关键词检索了Web of Science从2021年6月1日至2021年7月31日上线的锂电池研究论文,共有2739篇,选择其中100篇加以评论.正极材料方面主要研究了高镍三元、富锂正极以及尖晶石镍锰酸锂材料的包覆和掺杂改性.金属锂负极的研究包含金属锂的表面修饰、三维结构设计以及其沉积形态和均匀性.硅基复合负极材料的研究侧重于混合电极的结构设计,尤其是各类黏结剂的开发以缓解循环过程中Si的体积变化,维持电极完整性.固态电解质的研究主要是对现有固态电解质的进一步改性优化以及对新型固态电解质的探索,而其他电解液和添加剂的研究则主要包括不同电解质和溶剂对各类电池材料体系适配,以及对新的功能性添加剂的探索.固态电池方向更多地集中于界面问题的研究,锂硫电池则更多关注"穿梭"效应的改善.电池测试技术方面主要涉及金属锂沉积行为的三维表征以及快充条件下电极材料各性质的测量.理论计算工作涉及到界面处离子传输的研究,而界面反应部分涉及到SEI形成的分析.此外,集流体的改性以及电极预锂化研究工作也有多篇.