功能化固态电解质膜改性锂金属负极的研究进展

对高比能量锂离子电池需求的不断增加激发了锂金属负极的应用研究。锂金属具有高放电比容量(3860 mAh·g^?1),低电极电位(?3.04 V),是锂离子电池的理想负极材料。然而,锂金属在循环过程中会形成不稳定的固态电解质(SEI)膜,而且会生成枝晶,枝晶的生长会引发电池短路等安全问题,极大地阻碍了其应用。理想的SEI膜应具有良好的锂离子传导性、表面电子绝缘性和机械强度,可调控锂离子在表面均匀沉积,促进离子传输,抑制枝晶生长,因此构筑功能化SEI膜是解决锂金属负极所面临挑战的一项有效策略。本综述以锂金属枝晶形成和生长的机理为出发点,分析总结SEI膜的构建策略、不同组成SEI膜的结构和功能特性及其对锂金属负极性能的影响,并对锂金属实用化面临的挑战及未来发展方向进行了展望。     

锂金属电池研究中对称电池的短路现象

锂金属是具有高能量密度的负极材料,是下一代高能量密度电池研究的重点。在锂金属负极的改性研究中,锂对称电池是最常用的测试对象,但判断其短路的依据尚未统一,因此存在部分对短路数据的解析错误。本文利用原位电池对锂沉积过程中由于枝晶生长导致的短路现象进行了描述,对锂金属对称电池在充放电过程中的短路现象进行了分类和讨论。通过区分硬短路、软短路及电池活化过程,提出了判断锂对称电池中枝晶生长及电池短路的依据,为判定锂金属负极改性方法的有效性提供参考。     

多孔聚合物在锂金属负极保护中的研究进展

锂金属负极具有极高的理论比容量和最低的还原电位, 因此锂金属电池被认为是最具潜力的高比能储能器件之一. 然而, 充放电过程中不受控制的枝晶生长、不稳定的界面反应与巨大的体积变化导致锂金属负极库伦效率低与循环稳定性差, 同时枝晶刺穿隔膜也会带来安全隐患, 这些问题极大地制约着锂金属电池的实际应用. 多孔聚合物由于比表面积大、密度低、孔结构与微化学环境易裁剪等特点, 能够有效促进锂离子传输和均匀沉积, 已逐渐成为“无枝晶”锂金属电池研究领域的“新宠”. 然而, 相关的研究依然处于起步阶段, 本综述从人工固体电解质界面膜、隔膜修饰层与锂负极结构设计三个方面对多孔聚合物在锂金属电池负极保护中的研究进行了介绍与评述.     

锂金属负极亲锂骨架的研究进展

随着电动汽车和便携式电子产品的快速发展, 人们对于高比能二次电池的需求越来越迫切. 锂金属以其极高的理论比容量和极低的电极电势被视为下一代高比能电池理想负极材料之一. 但是, 锂枝晶的生长及体积膨胀等问题限制了金属锂负极的实际应用. 在金属锂负极中引入三维骨架可以有效抑制锂枝晶生长, 缓解体积膨胀. 其中亲锂骨架可以降低锂的形核能垒, 诱导锂的均匀成核, 更加有效地调控锂沉积行为. 本文结合国内外的研究进展总结了锂金属负极中亲锂骨架的研究成果. 根据亲锂材料的不同对亲锂骨架进行了分类, 总结了各类亲锂骨架在调控锂沉积行为和提高电池性能方面取得的成果, 并对其今后的研究和发展进行了展望.     

基于三维集流体的无枝晶锂金属负极

随着电化学储能市场的迅猛发展, 当前商用锂离子电池难以满足人们对高能量密度储能器件的需求. 锂金属具有高比容量和低氧化还原电位等优点, 被认为是下一代二次电池的理想负极材料. 然而, 锂金属负极在充放电过程中会出现体积变化大、 枝晶生长、 界面不稳定等问题, 严重阻碍了其在二次电池中的实际应用. 三维多孔材料具有骨架/空间互穿网络结构、 比表面积大、 孔隙发达和机械性能好等物理特性, 用作金属锂负极的集流体, 在锂沉积/溶解过程中可以起到降低局部有效电流密度、 均匀电场分布和降低锂离子浓度梯度的作用, 有望实现锂的均匀成核和无枝晶沉积, 同时抑制了电极的体积膨胀. 尽管有关三维集流体的研究报道不断出现, 但综合系统评价现有各种三维集流体体系的工作鲜见报道. 本文聚焦锂金属负极三维集流体的构建及应用研究进展, 首先分析了三维集流体抑制锂枝晶生长的基本原理及局限性, 继而重点关注了三维集流体的结构调控、 表面改性和功能化等应对策略对锂成核、 沉积过程的影响, 并对不同材质三维集流体的优缺点进行了归纳总结. 最后, 面向实用化, 分析并展望了三维集流体应用于锂金属电池的发展前景.     

锂金属电池中的复合负极

锂金属具有理论比容量高、电位低等优点,被认为是电极中的“圣杯”。然而,锂金属负极在循环过程当中存在着不可控的枝晶生长、体积膨胀等问题,严重地阻碍了锂金属电池的商业化进程。本综述首先概述了锂枝晶的形成机理,然后对由小及大,自内而外,总结了近年来三种不同层次的锂金属电池复合负极:锂金属负极内部结构的复合、锂金属电池内部结构的复合以及锂金属电池内部环境与外界操作条件的复合。最后,本综述对未来多层次锂金属电池复合负极的前景做出了展望。     

锂金属电池用高浓度电解液体系研究进展

锂金属二次电池具有极高的能量密度,是下一代储能电池的研究热点。然而,金属锂负极在传统碳酸酯电解液1 mol·L^?1 LiPF6-EC/DEC(ethylene carbonate/diethyl carbonate)中充放电时,存在严重的枝晶生长和循环效率低下等问题,阻碍了其商业化应用。因此,开发与锂负极兼容的新型电解液体系是目前重要的研究任务。与传统稀溶液相比,高浓度电解液体系具有独有的物化性质和优异的界面相容性,并且能有效抑制锂枝晶生长、显著提升锂负极的循环可逆性,因而格外受到关注。本文综述了高浓度电解液及局部高浓电解液体系的最新研究进展,分析了其溶液化学结构和物化性质,对其与锂负极的界面相容性、枝晶抑制效果、效率提升能力及界面稳定性机制进行了探讨;文章着重介绍了高浓与局部高浓电解液体系在锂金属二次电池中的应用,同时从基础科学研究和应用研究两个层面对高浓电解液和局部高浓电解液存在的主要问题进行了简要分析,并对其未来发展方向进行了展望。     

追踪锂金属负极的压力与形貌变化（英文）

采用高载量氧化物正极(>4mAh·cm^-2)和超薄锂金属负极(<50μm)可以构建高比能锂金属二次电池。然而,该类电池的循环寿命和安全性受到锂金属不可控沉积的严重制约。高比表面积的锂枝晶和锂“苔藓”导致了较低的库伦效率,前者有一定可能穿刺隔膜,造成电池内短路,是亟待解决的安全隐患。因此,提升锂金属二次电池的循环寿命和安全性的关键在于实现锂金属的致密沉积。文献中已有多种化学方法可达到这样的效果。由于锂金属较软,受力容易发生形变,对锂金属电池施加机械压力是另一种促进锂金属致密沉积和提高循环性能的方法。然而,机械压力、锂金属形态的演变、和循环性能之间的关系尚未被完全理解。本文报道了一种基于薄膜压力传感器的电池压力测量装置,可以实时跟踪纽扣型锂金属电池内部的压力变化,并且探究外加机械压力对电池循环性能的影响。研究发现,在纽扣电池和高比能的软包电池(5 Ah,>380 Wh·kg^-1)中,一定程度的压力可以促进锂金属的致密沉积,改善电池循环性能;而过大的压力则会导致锂金属向负极内部沉积,造成负极变形和电池性能恶化。我们的研究结果凸显了...     

电极界面浓差极化对锂金属沉积的影响

锂金属作为下一代高能量密度电池的理想负极材料受到研究人员广泛关注。然而,锂枝晶生长引起的安全隐患和循环寿命短等问题严重影响了锂金属电池的实用化进程。本文以电化学现象和理论为依据,从浓差极化角度详细分析锂金属电沉积过程中枝晶生长、死锂形成和全电池失效机制,并对目前研究较多的多孔宿主电极中的浓差极化及枝晶抑制进行分析,提出锂金属界面浓差电池现象。本文得到的结论为研究人员更深入地探究锂金属保护策略提供了理论依据。     

金属有机骨架材料在金属锂电池界面的应用

金属锂电池是下一代高能量密度电池体系的代表。然而,高比能金属锂电池的发展受到界面诸多问题的限制,如:金属锂负极枝晶生长、隔膜界面兼容性、正极界面不稳定等,影响了金属锂电池的界面传质传荷过程,并导致金属锂界面环境恶化、电池的容量衰减、安全性能下降等问题。金属有机骨架(MOF)是一种具有稳定多孔结构的有机无机杂化材料,近年来在高比能金属锂电池领域受到广泛关注。其多孔结构与开放的金属位点(OMs)提供了优异的离子电导率,稳定的空间结构提供了较高的机械强度,多样的官能团与金属节点带来丰富的功能性。本文分析了金属锂电池界面的主要挑战,结合金属锂界面的成核模型,总结了MOF及其衍生材料在解决锂金属负极界面、隔膜界面、以及正负极界面稳定性相互作用等方面的研究进展和作用机理,为解决高比能金属锂电池界面失稳问题提供了解决途径,并展望了MOF基材料的设计与发展方向。     

金属锂负极失效机制及其先进表征技术

尽管传统的石墨负极在商业化锂离子电池中取得了成功,但其理论容量低(372 mAh·g^?1)、本身不含锂的先天缺陷限制了其在下一代高比能量锂电池体系中的应用,特别是在需要锂源的锂-硫和锂-空气电池体系中。金属锂因其极高的理论比容量(3860 mAh·g^?1)和低氧化还原电势(相对于标准氢电极为?3.040 V),被认为是下一代锂电池负极材料的最佳选择之一。但是,金属锂负极存在库伦效率低、循环性能差、安全性差等一系列瓶颈问题亟待解决,而循环过程中锂枝晶的生长、巨大的体积变化、以及电极界面不稳定等是导致这些问题的关键因素。本文综述了近年来关于金属锂负极瓶颈问题及其机理,包括金属锂电极表面固态电解质界面膜的形成,锂枝晶的生长行为,以及惰性死锂的形成。同时,本文还介绍了目前用于研究金属锂负极的先进表征技术,这些技术为研究人员深入认识金属锂负极的失效机制提供了重要信息。     

Strategic Approaches to the Dendritic Growth and Interfacial Reaction of Lithium Metal Anode

Utilization of lithium (Li) metal anode is highly desirable for achieving high energy density batteries. Even so, the unavoidable features of Li dendritic growth and inactive Li are still the main factors that hinder its practical application. During plating and stripping, the solid electrolyte interphase (SEI) layer can provide passivation, playing an important role in preventing direct contact between the electrolyte and the electrode in Li metal batteries. Because of complexities of the electrolyte chemical and electrochemical reactions, the various formation mechanisms for the SEI are still not well understood. What we do know is that a strategic artificial SEI achieved through additives electrolyte can suppress the Li dendrites. Otherwise, the dendrites keep generating an abundance of irreversible Li, resulting in severe capacity loss, internal short-circuiting, and cell failure. In this minireview, we focus on the phenomenon of dendritic Li-growth and provide a brief overview of SEI formation. We finally provide some clear insights and perspectives toward practical application of Li metal batteries.     

人工界面层在金属锂负极中的应用

金属锂具有极高的比容量(3860 mAh·g^?1)和最低的电化学反应电位(相对标准氢电位为?3.040 V),被认为是高能量密度二次电池最具潜力的负极材料。然而金属锂负极界面稳定性差、不可控的枝晶生长、沉积/剥离过程中巨大的体积变化等严重阻碍了金属锂负极的商业化应用。在金属锂表面构建一层物理化学性质稳定的人工界面保护层被认为是解决金属锂负极界面不稳定和枝晶生长,缓解体积膨胀带来的界面波动等一系列问题的有效手段。本综述依据界面传导性质,从离子导通而电子绝缘的人工固态电解质界面(SEI)层、离子/电子混合传导界面、纳米界面钝化层三个部分对人工界面保护层进行了归纳总结。分析了人工界面保护层的物质结构与性能之间的构效关系,探讨了如何提高人工界面保护层的物理化学稳定性、界面离子输运、界面强度与柔韧性、界面兼容性等。最后,指出用于金属锂负极的人工界面保护层目前面临的主要挑战,并对其未来的发展进行了展望。     

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。     

稳定锂电化学沉积和溶解行为的LiC6异质微结构界面层

本文采用机械辊压方法在金属锂表面通过原位固相反应生成LiC₆异质微结构界面层,并研究了在碳酸酯有机电解液体系下该异质层对锂电化学沉积和溶解行为的影响。通过形貌表征与电化学测试发现,LiC₆异质层能够有效提升锂电化学沉积的可逆性与均匀性,从而抑制枝晶生长及维持沉积/溶解界面的稳定。使用异质层改性金属锂负极的扣式全电池也较纯金属锂负极体系表现出更为优异的循环稳定性。     

A Flexible Solid Electrolyte Interphase Layer for Long‐Life Lithium Metal Anodes

Lithium (Li) metal is a promising anode material for high‐energy density batteries. However, the unstable and static solid electrolyte interphase (SEI) can be destroyed by the dynamic Li plating/stripping behavior on the Li anode surface, leading to side reactions and Li dendrites growth. Herein, we design a smart Li polyacrylic acid (LiPAA) SEI layer high elasticity to address the dynamic Li plating/stripping processes by self‐adapting interface regulation, which is demonstrated by in situ AFM. With the high binding ability and excellent stability of the LiPAA polymer, the smart SEI can significantly reduce the side reactions and improve battery safety markedly. Stable cycling of 700 h is achieved in the LiPAA‐Li/LiPAA‐Li symmetrical cell. The innovative strategy of self‐adapting SEI design is broadly applicable, providing opportunities for use in Li metal anodes     

金属锂负极的成核机制与载体修饰

金属锂具有电位低、比容量高等突出优点,是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料,然而存在枝晶、死锂、副反应严重、库伦效率低、循环稳定性差等问题,限制了其实际应用。金属锂负极的成核是电化学沉积过程中的重要步骤,锂在集流体或导电载体上的均匀成核和稳定生长对于抑制枝晶死锂、提高充放电效率和循环性能具有关键作用。本文从成核机制与载体效应的角度概述了锂金属负极的研究进展,介绍了锂成核驱动力、异相成核模型、空间电荷模型等内容,分析了锂核尺寸及分布与过电位和电流密度的关系,并通过三维载体分散电流密度、异相晶核/电场诱导成核、晶格匹配等方面的研究实例讨论了载体修饰对锂负极的性能提升。     

Three-Dimensional Graphene/Ag Aerogel for Durable and Stable Li Metal Anodes in Carbonate-Based Electrolytes

The use of Li metal as the anode for Li-based batteries has attracted considerable attention due to its ultrahigh energy density. However, the formation of Li dendrites, uneven deposition, and huge volume changes hinder its reliable implementation. These issues become much more severe in commercial carbonate-based electrolytes than in ether-based electrolytes. Herein, a rationally designed three-dimensional graphene/Ag aerogel (3D G-Ag aerogel) is proposed for Li metal anodes with long cycle life in carbonate-based electrolytes. The modified lithiophilic nature of G-Ag aerogel, realized through decoration with Ag NPs, effectively decreases the energy barrier for Li nucleation, regulating uniform Li deposition behavior. Moreover, the highly flexible, conductive 3D porous architecture with hierarchical mesopores and macropores can readily accommodate deposited Li and ensures the integrity of the conductive network during cycling. Consequently, high coulombic efficiency (over 93.5 %) and a significantly long cycle life (1589 h) over 200 cycles, with a relatively high cycling capacity of 2.0 mAh cm⁻², can easily be achieved, even in a carbonate-based electrolyte. Considering the intrinsic high voltage windows of carbonate-based electrolytes, matching the G-Ag aerogel Li metal anode with a high-voltage cathode can be envisaged for the fabrication of high-energy-density Li secondary batteries.