全固态锂金属电池表界面化学的研究进展

传统的锂金属电池存在电解液易泄漏、 易燃等安全隐患, 因此开发不燃性全固态电解质对于解决锂金属电池安全问题至关重要, 而如何有效降低固体电解质与电极之间的界面电阻是发展高性能全固态锂金属电池的关键. 针对如何优化全固态锂金属电池表界面的问题, 本文综述了全固态锂金属电池电极和电解质表面修饰的最新研究进展, 对提高界面接触和降低界面电阻的传统方法进行了探讨, 分析并点评了新型的表面修饰技术, 为进一步提高全固态锂金属电池的综合性能提供新思路. 最后, 对全固态锂金属电池的研究前景进行了展望.     

全固态无负极锂金属电池纳米化复合集流体构筑

全固态无负极锂金属电池(AFSSLB)是一种通过初次充电形成金属锂负极的新型锂电池,它的负极与正极容量比为1,能使任意锂化正极系统达到最大能量密度。无机固态电解质的引入使无负极锂金属体系兼具高安全性。然而,电池循环过程中的锂离子通量不均导致的界面接触损失和锂枝晶生长会不断加剧,从而造成电池循环容量迅速衰减。本文构筑了纳米化的银碳复合集流体,显著增强了全固态无负极锂金属电池中集流体-电解质界面的性能。使用该集流体的固态电池循环过程中接触良好,界面阻抗为～10?·cm^-2。从而实现了超过7.0mAh·cm^-2锂金属的均匀稳定沉积,并在0.25mA·cm^-2的电流条件下实现循环200次以上。     

计算模拟在锂金属负极研究中的应用

锂金属以其高比容量和低电极电势,在高能量密度电池领域具有极大潜力,然而界面反应复杂、枝晶生长难以抑制等问题,导致电池易燃易爆、容易击穿短路,极大地限制了锂电池的应用。计算模拟有助于科研工作者认识反应机理、预测筛选电极材料以及优化电池设计,与实验相辅相成。本文对近年计算模拟在锂金属电极中的应用进行综述,重点在于利用分子动力学、第一性原理计算等计算方法,研究界面反应、固体电解质膜以及锂形核。此外,新开发的固态电解质很好地解决了传统锂电池易燃易爆等问题,提高了能量密度,但也存在界面阻力大、传导性能差以及枝晶生长等问题,对此,我们就计算模拟在固态电解质锂电池中锂负极的应用进行综述。最后,我们论述了该领域潜在研究方向。     

纳米纤维复合材料的离子传输动力学调控及其电化学应用

纳米纤维复合材料因具有高孔隙率、高比表面积以及多样化的组成和结构可设计性被广泛应用于锂硫电池、锂空电池等新型锂金属电池储能体系中.电池的电化学性能主要依赖于充放电反应中的离子传输过程,而纳米纤维的结构形态以及表/界面性质对于离子传输动力学具有重要影响.因此,本文针对新型储能电池应用中离子传输动力学缓慢、中间产物如多硫阴离子等易穿梭,以及负极枝晶生长等关键科学与技术问题,综述了纳米纤维复合材料的创新性设计和制备方法;进一步结合本课题组近期工作重点,阐述了纳米纤维复合材料的组成与结构调控对锂电池中离子传输动力学的优化作用;最后,总结了纳米纤维复合材料在锂电池正负极、隔膜、电解质等领域的应用进展,并讨论了其在新型储能设备领域的挑战和未来发展前景.     

锂金属负极的挑战与改善策略研究进展

锂金属由于其高比容量和低电极电势等优点被认为是下一代高比能量电池体系中最有潜力的负极材料。然而由于锂金属的高活性,锂负极在循环过程中会产生大量的枝晶,导致SEI(solid-electrolyte interphase)破裂,并且枝晶增加了电极与电解液的接触面积,使得副反应进一步增加。此外,脱落的枝晶形成死锂,从而降低电池的充放电库仑效率。并且不可控的锂枝晶持续生长会刺穿隔膜引发电池短路,伴随着电池热失控等安全问题。本综述基于锂负极存在的主要挑战,结合理解锂枝晶的成核生长模型等机理总结并深度分析近些年来在液态和固态电解质体系中改善锂金属负极的主要策略及其作用机理,为促进高比能量锂金属电池的应用提供借鉴参考作用。     

定制电解液或隔膜实现锂离子各向异性输运从而抑制枝晶生长：相场模拟研究

电池内部不可控的枝晶生长问题严重地影响着电池的循环性能和安全性能,这对于锂金属电池的实际应用是一个严峻的挑战。尽管已有较多的实验和理论研究工作聚焦于电极间锂离子各向异性输运特性对枝晶形貌的影响,但仍有一些开放性的问题有待进一步研究,例如,如何将枝晶生长的动态演变与电解液性质、电势分布或隔膜多孔结构诱导的锂离子各向异性输运关联起来。我们通过将锂离子在电解液中的扩散系数(DL)表示为二阶张量的形式并进行相场模拟,发现D_yy:D_xx比值的增加,以及电势诱导的电极/电解液界面锂离子快速扩散层均可以降低界面处锂离子浓度梯度和电势梯度,从而减弱枝晶生长的驱动力。我们还发现隔膜基体与y方向之间夹角的增大也会显著促进电解质中的锂离子各向异性输运特性,以利于抑制枝晶生长。籍此本文提出设计D_yy:D_xx=10:1的电解液和基体倾斜角为arctan (0.5)的隔膜用于锂金属电池。该相场研究有望为设计具有抑制枝晶能力的电解质或隔膜提供指导。     

复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能影响的研究

使用硫化物固体电解质的全固态锂硫电池由于多硫化物不溶于硫化物固体电解质及硫化物电解质不可燃的特性,得以完全避免穿梭效应并显著提高了电池的安全性能而被认为是极具潜力的下一代储能电池。如何建立并平衡复合正极中离子/电子导电网络且维持复合正极中较高活性物质含量对于全固态锂硫电池至关重要。本文以单质硫为活性物质研究了复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能的影响,发现以乙炔黑（AB）为导电碳材料明显优于Super P和Ketjen Black;优化复合正极的组成,发现硫：乙炔黑：固体电解质的质量比为40:20:40时,全固态锂硫电池在室温和60℃下均具有良好的电化学性能。     

用于锂二次电池的类三明治结构电解质的研究进展与展望

设计和开发高性能电解质对于提升锂二次电池的安全使用性能和电化学性能十分必要.类三明治结构电解质是一类新兴的,具有特殊两层、三层或多层对称或非对称结构的电解质体系,可实现不同材料的性能优势互补,同"刚柔并济"电解质设计理念相吻合.基于此,本综述详细梳理了类三明治结构电解质在高电压锂电池、固态锂电池、锂金属电池和锂硫电池等方面展现出的多功能应用:(1)提高离子电导率;(2)提高负极界面相容性,抑制锂枝晶生长;(3)提高正极界面抗氧化性能;(4)防止过渡金属离子溶出游弋到负极;(5)防止多硫化物穿梭.并从类三明治结构电解质特定应用方面出发,重点论述了类三明治结构电解质的类型、制备、功能以及在高性能锂二次电池中的研究进展.文末还对类三明治结构电解质未来可能的发展趋势及存在的挑战进行了深入分析和阐释.本综述将会对锂二次电池高性能电解质的设计、开发和研究工作起到非常好的理论指导和思路借鉴作用."刚柔并济"类三明治结构电解质必将在未来高性能二次电池开发过程中发挥重要作用.     

无机全固态锂离子电池界面性能研究进展

固体电解质不存在易燃等安全问题, 发展固态锂电池技术是解决液体电解质锂电池安全问题的根本途径. 随着社会对大体积锂离子电池需求的增长以及人们对电池的安全性关注度的日益提高, 发展固态锂离子电池已迫在眉睫. 制备性能良好的全固态锂电池的关键在于获得高室温离子导电率的固体电解质以及在电极与电解质之间形成良好的接触面. 大量的研究集中在制备高室温导电率的固体电解质, 目前已经制备出能与液体电解质相媲美的高室温导电率的固体电解质, 但固态锂电池的高倍率性能仍然较差, 原因是在电极与固体电解质的界面处具有较高的阻抗. 关于固态锂电池电极与电解质界面的研究文章相对较少. 本文简要介绍了一些具有高室温导电率的氧化物及硫化物电解质, 着重分析了全固态锂电池电极与电解质界面处具有高阻抗的原因以及减少界面阻抗的界面改性方法.     

金属锂二次电池锂负极改性

本文综述了金属锂二次电池中提高锂负极性能的研究进展。分别介绍了以下改性方法:对金属锂表面进行预处理,使其表面预先形成性能良好的固体电解质界面膜,或直接在其表面制备保护膜;在电解液中加入添加剂对锂电极进行表面改性;采用新型有机溶剂、离子液体、聚合物电解质、玻璃态固体电解质、塑晶固体电解质等电解质体系提高界面相容性;改进金属锂电极的制备工艺,如制备金属锂粉末多孔电极和电沉积锂电极、制备全固态薄膜锂电池以及利用物理方法处理锂电极。并在此基础上对今后的发展趋势进行了展望。     

高性能硫化物基全固态锂电池设计：从实验室到实用化

全固态锂电池因其优异的安全性和高能量密度成为储能领域的重点研究内容。硫化物电解质因其高离子电导率、良好电极/电解质界面兼容性及易加工性,有力推动了硫化物基全固态锂电池的发展。本文首先从实验室研究阶段出发,从正极/电解质界面、硫化物电解质自身及负极/电解质界面三方面阐述了硫化物基全固态锂电池现阶段面临的主要问题,并介绍了相关的解决策略。随后从硫化物基全固态锂电池的实用化生产角度出发,介绍了电极/电解质膜的制膜工艺、软包电池的装配相关问题、高载正极的设计及硫化物电解质的大规模、低成本制备。最后展望了硫化物基全固态锂电池的未来研究方向和发展趋势。     

Heat treatment effects in oxygen-doped β-Li3PS4 solid electrolyte prepared by wet chemistry method

Journal of Solid State Electrochemistry - For advanced all-solid-state lithium batteries, the solid electrolyte is one of the most critical components that significantly affect battery performance....     

金属锂电池的热失控与安全性研究进展

锂离子电池在便携式储能器件及电动汽车领域得到了广泛应用,然而频繁发生的电池起火爆炸事故,使热失控和热安全问题备受人们关注,目前已有多篇综述报道了缓解锂离子电池热失控的措施。相比于已经接近理论比能极限的锂离子电池,金属锂负极具有更高的比容量、更低的电势和高反应活性,但是不可控的锂枝晶生长,使得金属锂电池的热失控问题更为复杂和严重。针对金属锂电池的热失控问题,本文首先介绍了热失控的诱因及基本过程和阶段,其次从材料层面综述了提高电池热安全性的多种策略,包括使用阻燃性电解质、离子液体电解质、高浓电解质和局域高浓电解质等不易燃液态电解质体系,开发高热稳定性隔膜、热响应隔膜、阻燃性隔膜和具有枝晶检测预警与枝晶消除功能的新型智能隔膜,以及研究热响应聚合物电解质,最后对金属锂电池热失控在未来的进一步研究进行了展望。     

Challenges and Development of Composite Solid Electrolytes for All-solid-state Lithium Batteries

All-solid-state lithium batteries are considered to be a new battery system with great development potential and application prospects due to the advantages of high energy density and high security.As a key component of all-solid-state lithium batteries,the development of solid-state electrolytes has received extensive attention in recent years,but most solid electrolytes still exhibit problems,such as low ion conductivity and poor interface compatibility.The design of composite solid-state electrolyte materials with both excellent electrochemical and mechanical properties is an effective way to develop all-solid-state lithium batteries.This review introduces different types of pure component solid electrolytes and analyzes their respective advantages and characteristics firstly.Furthermore,the research progress of composite electrolytes in preparation method,ionic conduction,suppression of lithium dendrites,and the improvement of electrochemical performances are reviewed from the perspective of composite electrolyte structure design,which is to meet different performance requirements.And the future development direction and trend of composite electrolytes are prospected.     

Toward Practical All-solid-state Batteries with Sulfide Electrolyte: A Review

Sulfide-based solid-state electrolytes with ultrahigh lithium ion conductivities have been considered as the most promising electrolyte system to enable practical all-solid-state batteries. However, the practical applications of the sulfide-based all-solid-state batteries are hindered by severe interfacial issues as well as large-scale material preparation and battery fabrication problems. Liquid-involved interfacial treatments and preparation processes compatible with current battery manufacturing capable of improving electrode/electrolyte interface contacts and realizing the mass production of sulfide electrolytes and the scalable fabrication of sulfide-based battery component have attracted considerable attention. In this perspective, the current advances in liquid-involved treatments and processes in sulfide-based all-solid-state batteries are summarized. Then relative chemical mechanisms and existing challenges are included. Finally, future guidance is also proposed for sulfide-based batteries. Focusing on the sulfide-based all-solid-state batteries, we aim at providing a fresh insight on understandings towards liquid-involved processes and promoting the development of all-solid-state batteries with higher energy density and better safety.     

固态锂电池界面优化策略的研究进展

固态锂电池具有安全性好、能量密度高等优点,在新能源汽车和智能电子等领域具有广泛的应用前景。然而,由化学/电化学和物理因素引起的界面副反应与高界面阻抗问题制约了其进一步发展。先前的综述已对解决化学/电化学界面问题的方法有了相对全面的阐述,但并未细致讨论不同结构固态电池中物理界面的影响及应对策略。本文将简要介绍化学/电化学界面问题及其解决方案;重点按结构特点将固态锂电池分为三明治结构、粉末复合结构和3D一体化结构,细致地分析不同电池结构的物理界面特点与优化策略,并对各种策略的优缺点进行比较分析;最后,对固态锂电池电极/电解质界面的未来研究方向进行展望。     

High lithiophilic nitrogen-doped carbon nanotube arrays prepared by in-situ catalyze for lithium metal anode

Lithium metal has a very outstanding theoretical capacity(3860 mAh/g) and is one of the most superior anode materials for high energy density batteries.However,the uncontrollable dendrite growth and the fo rmation of "dead lithium" are the important hidden dangers of short cycle life and low safety.However,the uncontrollable dendrite growth and the fo rmation of dead lithium leads to short cycle life and hidden dange r,which hinder its practical application.Controlling the nucleation and growth process of lithium is an effective strategy to inhibit lithium dendrite.Herein,a simple in situ self-catalytic method is used to construct nitrogen doped carbon nanotube arrays on stainless steel mesh(N-CNT@SS) as a lithium composite anode.The N-doped CNTs provide a great number of N-functional groups,which enhance the lithiophilic of anode and provide a large number of uniform nucleation sites,hence it has excellent structural stability for cycles.The arrays provide neat lithium-ion transport channels to uniform lithiumion flux and inhibits dendrite generation,revealed by the COMSOL multi-physics concentration field simulation.The N-CNT@SS composite anode sustain stable at 98.9% over 300 cycles at 1 mA/cm2.NCNT@SS as the anode is coupled LiFePO_4(LFP) as the cathode construct a full battery,demonstrating excellent cycling stability with a capacity of 152.33 mAh/g and capacity retaining ratio of 95.4% after 100 cycles at 0.5 C.     

锂金属电池用三维半互穿网络聚合物电解质的制备

锂金属电池作为下一代高比能量电池技术受到人们越来越广泛的关注。然而由锂枝晶生长引发的安全问题是锂金属电池商业化面临的最大挑战之一。具有高锂离子迁移数和离子电导率的聚合物电解质是抑制锂枝晶生长的重要策略之一。本文将季戊四醇四丙烯酸酯和自由基引发剂AIBN添加至商业化电解液中,采用具有单离子传导功能的多孔聚合物电解质为锂金属电池的电解质隔膜,通过在电池内部发生热诱导原位聚合制备三维半互穿网络单离子传导聚合物电解质,达到提高电解质隔膜离子电导率和机械拉伸性能,以及有效抑制锂枝晶生长的目的。通过该策略的实施,成功获得了室温离子电导率0.53 mS·cm^-1和锂离子迁移数0.65的良好结果。应用于锂金属电池,证明该电解质能够有效抑制锂枝晶的生长和倍率性能的提高,为锂金属电池的开发提供了良好的解决路径。     

Two-dimensional vermiculite separator for lithium sulfur batteries

A lamellar vermiculite separator assembled with exfoliation vermiculites is developed for lithium sulfur batteries. The vermiculite separator can simultaneously suppress the parasitic reactions induced by polysulfide intermediate shuttle, and prevent the short circuit by potential lithium dendrite penetration with the ultrahigh Young's modulus.