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。     

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。     

亲锂的三维二硫化锡@碳纤维布用于稳定的锂金属负极

金属锂由于其高的比容量,低的电极电势和轻质等特点被认为是下一代高能量密度锂金属二次电池负极材料的最佳选择。然而,充放电循环中不均匀的锂沉积会导致严重的体积变化和大量的锂枝晶形成,从而影响了电池的库伦效率甚至会带来严重的安全隐患。为此,本文设计了一种亲锂的三维二硫化锡@碳纤维布复合基底材料,并作为集流体将其应用于金属锂电池上。一者,高比表面积的三维碳纤维骨架可以适应充放电过程中的体积变化并且有效地降低局部电流密度,从而确保锂的均匀沉积。二者,表面修饰的SnS2层在锂沉积过程中可以形成Li-Sn合金界面层,诱导锂的沉积并降低过电势。最终,实验结果表明:使用所制备的复合集流体与金属锂搭配组成的半电池可以在5 mA·cm^-2的高电流密度下以>98%的库伦效率稳定循环100周以上。此外,在承载10 mAh·cm^-2的金属锂后,复合的锂负极无论是在对称电池还是与磷酸铁锂组装成的实际电池中,均可以在高的电流密度下实现稳定的循环。我们相信这一复合的集流体构建策略对于设计安全稳定的锂金属电池或器件具有重要意义。     

细菌纤维素衍生的三维碳集流体用于无枝晶的锂金属负极

锂金属是下一代高能量密度电池的关键负极,然而其实用化面临着一系列问题,主要包括循环过程中体积变化大、枝晶生长等。使用三维集流体是解决这些问题的有效方法,然而现有大多数三维集流体存在重量大、体积大、表面亲锂性差、成本高等问题。针对上述问题,本文以低成本的细菌纤维素为前驱体,通过直接碳化制备出具有连通网络的轻质三维碳集流体,其表面均匀分布的含氧官能团可以促进锂离子的均匀成核和沉积,有效抑制了枝晶生长。值得注意的是,该集流体的面密度仅为0.32 mg·cm^?2,在3 mAh·cm^?2比容量的锂金属负极中质量占比仅为28.8%。电化学测试结果表明,该集流体在3 mA·cm^?2的高电流密度或4 mAh·cm^?2的高循环容量的工作条件下,稳定循环超过150次,并且在对称电池或与LiNi0.8Co0.15Al0.05匹配的全电池中也表现出良好的电化学性能。     

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。     

多孔金属有机框架材料作为锂金属负极保护层助力长寿命锂氧气电池

在众多能源储存系统中,锂氧气电池以其高达3500 Wh·kg^-1的理论能量密度有望在性能上超越商用锂离子电池.然而,在电池充放电过程中,金属锂不可控的枝晶生长和严重的腐蚀问题极大地阻碍了锂氧气电池的发展.为了解决以上问题,制备了一种具有高比表面积、丰富孔道结构的金属有机框架材料（MOF-801）,并将其设计成金属锂负极的保护层应用在锂氧气电池中.在本工作中,成功合成了具有高达762.9 m²·g^-1比表面积,边长约为800 nm的立方体状纯净MOF-801材料.并且这种材料表现出对于有机电解液体系（四乙二醇二甲醚1 mol·L^-1三氟甲基磺酸锂）和强还原性的金属锂都具有很好的稳定性.得益于该材料丰富的孔道结构以及高比表面积,锂离子得以更均匀地分布在电极表面促进金属锂均匀沉积,有效避免了由于枝晶刺破隔膜而导致的短路甚至火灾事故.此外,MOF-801保护层本身的阻隔作用和材料捕捉水的特性可以帮助减少污染物质（水、氧气、强氧化性物质等）的穿梭效应带来的副反应,缓解锂氧气电池中金属锂负极的腐蚀情况.因此,将经过保护的金属锂组装成的对称电池进行测试,循环寿命长达800 h,同时充/放电过电势仅为0.023 V（未经保护的电池寿命仅为254 h,最终充/放电过电势高达5 V）,且循环阻抗大大降低,证明了这种策略有效地稳定了金属锂/电解液界面.将经过MOF材料保护的电极实际应用在锂氧气电池中,在限容量1000 mAh·g^-1,限电流500 mA·g^-1条件下,可以实现长达170圈的稳定长寿命的循环（是未经保护的电池寿命的2.88倍）.使用MOF-801保护层的锂氧气电池还表现出了高达8935 mAh·g^-1的高比容量.因此,本工作所报道的保护层策略为未来的碱金属空气电池负极保护领域提供了新颖的视角.     

轻质三维多孔泡沫铝用作高性能锂金属负极骨架

将轻质、三维多孔且亲锂的泡沫铝用作锂(Li)金属负极骨架,通过简单的机械挤压方法,将泡沫铝与金属Li复合,制得Al@Li复合负极。泡沫铝自身的高亲锂性,能够为Li金属成核提供丰富且均匀的活性位点,诱导Li在泡沫铝内部的快速成核和均匀电沉积。同时,泡沫铝的三维多孔结构,可以容纳Li金属负极在充放电过程中的巨大体积应变,降低局部电流密度,从而有效抑制Li枝晶的生长。因此,与纯Li金属负极相比,所获得的Al@Li复合负极在对称电池和LiFePO₄||Al@Li半电池中,均表现出了更加优异的循环稳定性。     

轻质三维多孔泡沫铝用作高性能锂金属负极骨架

将轻质、三维多孔且亲锂的泡沫铝用作锂(Li)金属负极骨架,通过简单的机械挤压方法,将泡沫铝与金属 Li复合,制得Al@Li复合负极。泡沫铝自身的高亲锂性,能够为Li金属成核提供丰富且均匀的活性位点,诱导Li在泡沫铝内部的快速成核和均匀电沉积。同时,泡沫铝的三维多孔结构,可以容纳Li金属负极在充放电过程中的巨大体积应变,降低局部电流密度,从而有效抑制Li枝晶的生长。因此,与纯Li金属负极相比,所获得的Al@Li复合负极在对称电池和LiFePO₄||Al@Li半电池中,均表现出了更加优异的循环稳定性。     

定量的复合金属锂作为三维泡沫锂电极用于锂电池的研究

金属锂作为电池的负极材料具有极高的比容量和极低的氧化还原电位,能够显著提升电池的能量密度。然而,金属锂负极在实际应用中所面临的主要问题是锂枝晶、界面副反应和电极体积变化大的难题。在本文中,我们提出了一种通过将定量的金属锂与三维骨架进行复合形成三维泡沫锂负极的策略,并利用三维泡沫锂来抑制锂枝晶的生长和缓解电极的体积变化。因此,三维泡沫锂电极有利于金属锂负极的高效利用,并能借助其与平面锂箔相比更高的比表面积和更多的反应位点来提升电池的倍率性能。因此,通过采用三维泡沫锂,对称电池的循环寿命和倍率性能都得到了有效的提升。EIS数据结果表明,三维泡沫锂能够减小对称电池的电荷转移阻抗。而且,将三维泡沫锂作为负极组装的LTO全电池,与锂箔作为负极相比,循环1000周平均放电比容量从65 mAh·g^-1提升至121 mAh·g^-1。     

三维多孔铜和锌镀层协同构筑无枝晶锂金属电极

金属锂具有高理论比容量和低氧化还原电位, 被认为是高能量密度二次电池最理想的负极材料之一, 但其在循环过程中的枝晶生长和体积变化易造成电池失效和安全隐患. 以孔径为5 μm左右的自制三维多孔铜为基底, 在其表面电沉积锌层(3D Cu@Zn), 作为金属锂沉积的集流体, 构筑无枝晶锂金属电极. 三维多孔铜的孔结构稳定, 孔径大小适宜, 可有效降低局部电流密度和缓解体积变化. 锌镀层可降低锂金属的形核过电位, 诱导锂的均匀沉积, 有效抑制锂枝晶生长. 以3D Cu@Zn为集流体, 锂沉积面积容量为4 mAh•cm^–2, 电极表面仍无枝晶出现, 经过锂剥离后表面仍然光滑; 而铜箔上沉积的锂显示明显的枝晶和不均匀性, 3D Cu上沉积的锂显示局部不均匀性和一定量枝晶. 在电流密度为0.5和 1 mA•cm^–2, 面积容量为1 mAh•cm^–2条件下, Li||3D Cu@Zn半电池获得了稳定的库伦效率; 在2 mA•cm^–2的高电流密度和1 mAh•cm^–2的面积容量条件下, Li||3D Cu@Zn@Li对称电池可稳定循环700 h以上; 以3D Cu@Zn@Li为负极, LiFePO₄为正极的全电池, 在1 C倍率下, 经过150次循环后仍保持88 mAh•g^–1的容量, 均明显优于Cu片和3D Cu作为集流体的锂金属电极.     

Magnetohydrodynamic Interface-Rearranged Lithium Ions Distribution for Uniform Lithium Deposition and Stable Lithium Metal Anode

Uneven lithium (Li) electrodeposition hinders the wide application of high-energy-density Li metal batteries (LMBs). Current efforts mainly focus on the side-reaction suppression between Li and electrolyte, neglecting the determinant factor of mass transport in affecting Li deposition. Herein, guided Li⁺ mass transport under the action of a local electric field near magnetic nanoparticles or structures at the Li metal interface, known as the magnetohydrodynamic (MHD) effect, are proposed to promote uniform Li deposition. The modified Li⁺ trajectories are revealed by COMSOL Multiphysics simulations, and verified by the compact and disc-like Li depositions on a model Fe₃O₄ substrate. Furthermore, a patterned mesh with the magnetic Fe−Cr₂O₃ core-shell skeleton is used as a facile and efficient protective structure for Li metal anodes, enabling Li metal batteries to achieve a Coulombic efficiency of 99.5 % over 300 cycles at a high cathode loading of 5.0 mAh cm⁻². The Li protection strategy based on the MHD interface design might open a new opportunity to develop high-energy-density LMBs.     

Fluorinated Aromatic Diluent for High-Performance Lithium Metal Batteries

In lithium metal batteries, electrolytes containing a high concentration of salts have demonstrated promising cyclability, but their practicality with respect to the cost of materials is yet to be proved. Here we report a fluorinated aromatic compound, namely 1,2-difluorobenzene, for use as a diluent solvent in the electrolyte to realize the “high-concentration effect”. The low energy level of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO), weak binding affinity for lithium ions, and high fluorine-donating power of 1,2-difluorobenzene jointly give rise to the high-concentration effect at a bulk salt concentration near 2 m , while modifying the composition of the solid-electrolyte-interphase (SEI) layer to be rich in lithium fluoride (LiF). The employment of triple salts to prevent corrosion of the aluminum current collector further improves cycling performance. This study offers a design principle for achieving a local high-concentration effect with reasonably low bulk concentrations of salts.     

金属锂二次电池研究进展

本文综述了近年来金属锂二次电池的研究进展,主要包括金属锂负极的表面改性、SEI膜的形成和调制、电解质体系的改进及研发,以及电池制备工艺等,并在综述各方面进展的基础上对金属锂二次电池未来的研究方向进行了展望。     

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。     

Fluorinated Aromatic Diluent for High‐Performance Lithium Metal Batteries

In lithium metal batteries, electrolytes containing a high concentration of salts have demonstrated promising cyclability, but their practicality with respect to the cost of materials is yet to be proved. Here we report a fluorinated aromatic compound, namely 1,2‐difluorobenzene, for use as a diluent solvent in the electrolyte to realize the “high‐concentration effect”. The low energy level of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO), weak binding affinity for lithium ions, and high fluorine‐donating power of 1,2‐difluorobenzene jointly give rise to the high‐concentration effect at a bulk salt concentration near 2 m , while modifying the composition of the solid‐electrolyte‐interphase (SEI) layer to be rich in lithium fluoride (LiF). The employment of triple salts to prevent corrosion of the aluminum current collector further improves cycling performance. This study offers a design principle for achieving a local high‐concentration effect with reasonably low bulk concentrations of salts.     

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。