纳米硅担载提高锂-碳复合负极的电化学性能

<正>1背景介绍金属锂作为锂离子电池负极,具有极高的比容量和极低的还原电势,也可和不含锂源的正极材料搭配做成如锂-硫,锂-氧气等电池,是发展下一代高能量密度电池的关键材料。从上个世纪七十年代开始,研究者们就开始了金属锂负极的研究~(1–3)。     

担载纳米硅的锂-碳复合微球作为锂二次电池负极

金属锂由于其极高的理论比容量(3860mAh·g~(-1),2061mAh·cm~(-3))和低的还原电势(相对于标准氢电极(SHE)为-3.04 V)等特点,成为了高能量密度锂电池负极材料的极佳选择之一。从上个世纪七十年代开始,科研工作者便开始了金属锂负极的研究,然而,由于金属锂与电解液反应严重,镀锂过程体积膨胀大,且在循环中易生成枝晶,以金属锂为负极的电池循环稳定性差,而且容易短路从而带来安全隐患。因此金属锂做为锂电池负极的商业化推广最终没有成功。在本工作中,我们在前期设计的锂-碳纳米管复合微球(Li-CNT)中引入了纳米硅颗粒制备了硅颗粒担载的锂-碳复合球(LiCNT-Si)。实验发现,纳米硅颗粒的加入不仅提高了锂-碳复合微球的载锂量(10%(质量百分含量)的硅添加量使得比容量从2000 mAh·g~(-1)提高到2600 mAh·g~(-1)),降低了锂的沉积/溶解过电势,有利于引导锂离子回到复合微球内部沉积,大大提高了材料的循环稳定性。同时,担载了纳米硅颗粒的锂-碳复合球也继承了锂-碳复合微球循环过程中体积膨胀小,不长枝晶的优点。而且添加的纳米硅颗粒还填充了Li-CNT微球中的孔隙,减少了电解液渗入复合微球内部腐蚀里面的金属锂,进一步提高了材料的库仑效率。以添加10%硅的锂碳复合材料作为负极,与商用磷酸铁锂正极组成全电池,在常规酯类电解液中1C (0.7 mA·cm~(-2))条件下能稳定循环900圈以上,库仑效率为96.7%,大大高于同样条件下测得的Li-CNT复合材料(90.1%)和金属锂片(79.3%)的库仑效率。因此,这种通过简单的熔融浸渍法即可制备的,具有高的比容量和长的循环稳定性的锂硅-碳复合材料具有较大的潜能成为高能量密度电池的负极材料,尤其适用于锂硫、锂氧这种正极不含锂源的电池体系。     

基于三维亲锂材料的高稳定金属锂负极的构筑

金属锂具有超高理论比容量密度(3680 mA·h·g^?1)和低还原电位(?3.04 V vs.SHE),被认为是高能量密度电池负极材料的“圣杯”.然而,由于锂枝晶不可控生长和对电解质高反应性导致的库仑效率低、循环寿命短及内短路等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构建三维亲锂骨架材料的改性策略.利用金属、金属氧化物、杂原子掺杂、聚合物材料及有机框架材料等高亲锂材料对集流体和负极的界面及结构进行针对性调控修饰,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.     

球形碳颗粒用于高效稳定“金属锂储藏室”

<正>随着便携式电子、电动车和储能电网的快速发展,亟需开发高能量密度的二次电池体系。金属锂具有高的理论比容量(3860mAh?g~(-1)),低的密度(0.59g?cm~(-3))和最低的还原电位(相对于标准氢电位为-3.04V)。因此,利用金属锂代替传统石墨为负极获得的金属锂二次电池是一种极具应用前     

利用原位氟化保护层改善三维锡锂合金/碳纸负极贫电解液下性能

金属锂具有最高的理论比容量(3860 mAh·g^?1)和最低的还原电势(?3.04 V),是新型高能量密度电池负极材料的最佳选择之一。然而由于金属锂负极表面自发生成的固态电解质界面(SEI)十分不稳定,导致锂枝晶的产生和电池容量快速衰减,严重限制了锂金属电池的商业化应用。因此,本工作利用碳酸双(2,2,2-三氟乙基)酯(DTFEC)添加剂在三维锡锂合金/碳纸负极(SnLi/Cp)表面原位构筑了高机械强度和离子穿透性的含氟化物(LiF和SnF2)保护层,有效地改善了锂负极的倍率性能和循环稳定性。结果显示,SnLi/Cp对称电池在8 mA·cm^?2的电流密度下经过100次循环后过电位仅为90 mV。当将电解液降低到12μL(1.5μL·(mAh)?1)时,在5 mA·cm^?2的电流密度下对称电池仍具有优异的稳定性;SnLi/Cp||NMC811电池在1C(1.5 mA·cm^?2)条件下能稳定循环300圈以上,库伦效率高达98.1%。这种方法能够显著改善锂金属负极的循环稳定性,有助于实现高能量密度锂金属电池的实际应用。     

天然气焦炭的嵌锂特性研究

锂离子电池的研究与开发具有诱人的商业前景．以金属锂为负极的锂二次电池存在着充放电循环寿命短和使用安全性能差等诸多问题，解决的途径之一是采用嵌锂化合物替代金属锂作为负极材料．其中，以具有贮锂功能的碳素材料作为负极的锂离子电池，不仅具有较高的电容量和较长...     

高能量密度锂二次电池电极材料研究进展

锂离子电池是目前广泛应用的高能量密度小型二次电池,但随着其应用领域突飞猛进的发展,迫切需要进一步提高其能量密度.本文介绍了近年来高能量密度锂离子电池正、负极材料及新型高能量密度锂二次电池体系方面的研究进展;结合本实验室的研究工作,着重介绍了高容量正、负极材料的选择、微纳结构设计、表面包覆和合成策略;讨论了锂硫电池、锂空气电池等高比能金属锂二次电池的未来发展方向.     

非水溶剂Li-O_2电池锂负极研究进展（英文）

非水溶剂Li-O_2电池因其高的理论能量密度,近年来备受关注。非水溶剂Li-O_2电池的典型结构为金属锂负极、含Li+的非水溶剂电解液和多孔氧气正极。目前,多数Li-O_2电池研究集中在正极的氧气电极反应;金属锂负极极强的还原性导致的副反应使Li-O_2电池中的化学和电化学反应变得更为复杂。因为,电解液和从正极扩散来的O_2都会与金属锂发生反应;锂负极上生成的副反应产物同样会扩散到正极一侧,干扰正极的O_2反应。此外,锂负极上可能生成锂枝晶,降低电池的安全性能,进而阻碍Li-O_2电池的实用化。因此,研究并解决锂负极的电化学稳定性和安全问题迫在眉睫。本文综述了近年来国内外在非水溶剂Li-O_2电池锂负极保护和修饰方面的最新研究进展,包括:可替代的对/参比电极的选择、电解液和添加剂、复合保护层与隔膜的研究、先进实验技术的开发与应用、并针对未来非水溶剂Li-O_2电池的发展进行了展望。     

锂金属负极界面修饰及其在硫化物全固态电池中的应用

随着我国新能源产业的快速发展, 全固态电池由于其理论上的高能量密度和高安全性受到广泛关注, 而硫化物全固态电池具有离子电导率高的优势成为目前的研发热点, 但是金属锂负极的锂枝晶生长和与硫化物电解质之间的不稳定性严重阻碍了硫化物全固态电池的研发. 本工作在高温150 ℃下制备了均匀的LiF界面层来抑制金属锂负极/硫化物电解质之间的界面反应和锂枝晶. LiF/Li之间具有较高的界面能, 所以可以有效抑制锂枝晶的生长. LiNbO₂@LiCoO₂//Li₆PS₅Cl//LiF@Li (LNO@LCO//LPSCl//LiF@Li)全电池0.05 C, 0.1 C, 0.2 C和0.5 C倍率的正极放电克容量分别为138.4 mAh/g, 105.0 mAh/g, 80.3 mAh/g和60.4 mAh/g, 0.05 C循环50周后, 正极容量保持率为80.2%. 该方法为后续金属锂负极在全固态电池中的应用提供了新的方案.     

金属锂枝晶生长机制及抑制方法

金属锂负极以极高的容量（3860 mAh ·g^-1）和最负的电势（-3.040 V vs标准氢电极）而被称为二次锂电池"圣杯"电极。以金属锂为负极的金属锂电池是极具前景的下一代高比能电池（比如锂硫和锂氧电池等）。然而,在锂离子反复沉积和析出过程中,金属锂负极表面容易生长出锂枝晶,并发生粉化,大大降低了电池的利用率,造成安全隐患,缩短电池使用寿命。本综述针对金属锂的枝晶问题开展评述。首先介绍金属锂负极的工作原理和存在的挑战;其次,评述金属锂负极的枝晶生长模型;再次,总结近年来针对抑制金属锂负极枝晶生长的研究进展。最后,总结全文并对金属锂负极的研究进行了展望。该综述尝试总结金属锂负极近些年在理论和技术上的进步,并为金属锂电池的实用化研究提供借鉴。