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.     

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。     

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。     

多空间尺度下的金属锂负极表征技术

金属锂因为其优秀的特性被认为是未来锂电池负极的最终之选。然而目前金属锂负极在旧有液态体系中的研究陷入瓶颈,在新兴固态体系中的挑战层出不穷。想要实现金属锂负极的实用化,必须加深对金属锂负极基础科学问题的认识。本文系统论述了多空间尺度下金属锂的电极行为与对应的表征技术。首先综述了多空间尺度下金属锂负极的基础科学和应用技术问题,结合近年来的工作,对全空间尺度下的先进表征手段做了梳理,分析了从原子级到宏观尺度各种表征手段的技术特点,并重点讨论了各类表征技术在研究固态体系中金属锂负极时的特点与可能的发展方向。     

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。     

固态锂电池中金属锂负极与固体电解质界面的关键挑战

随着新能源汽车的快速发展,车用锂电池的安全性能备受关注。不同于传统锂离子电池采用可燃有机液体电解液,固态锂电池采用无机类固体电解质,具有不可燃、不漏液、高安全、长寿命等一系列优点。此外,固体电解质可兼容高容量金属锂负极,进而实现高能量密度(300 Wh/kg)。然而,由于固体电解质缺乏流动性,其与金属锂负极的界面问题已经成为制约固态锂电池发展的瓶颈。本文简要讨论了金属锂负极与固体电解质界面所存在的几项关键挑战:(1)界面润湿;(2)枝晶生长;(3)金属锂的利用率等问题,并介绍了针对这几项关键问题的近期研究进展。     

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。     

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.     

Cu3P纳米板阵列@泡沫铜三维骨架的原位构筑及其作为高性能锂金属负极

通过简单的原位生长法,将Cu3P纳米板阵列均匀负载在商业化的泡沫铜内部(NF?Cu3P@Cu),并用作锂金属负极的三维骨架载体材料。亲锂性的Cu3P纳米板阵列可以提供均匀且丰富的锂成核活性位点,诱导锂金属在NF?Cu3P@Cu内快速形核和均匀电沉积。同时,在电镀沉积锂时,Cu3P纳米板阵列会被锂化形成快离子导体Li3P,可以确保锂离子在复合负极中的快速均匀传输,从而有效抑制锂枝晶的形成。因此,获得的Li@NF?Cu3P@Cu复合负极材料在对称电池和全电池中,均表现出优异的循环稳定性。     

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。     

Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes

Lithium (Li) metal is the most promising electrode for next-generation rechargeable batteries. However, the challenges induced by Li dendrites on a working Li metal anode hinder the practical applications of Li metal batteries. Herein, nitrogen (N) doped graphene was adopted as the Li plating matrix to regulate Li metal nucleation and suppress dendrite growth. The N-containing functional groups, such as pyridinic and pyrrolic nitrogen in the N-doped graphene, are lithiophilic, which guide the metallic Li nucleation causing the metal to distribute uniformly on the anode surface. As a result, the N-doped graphene modified Li metal anode exhibits a dendrite-free morphology during repeated Li plating and demonstrates a high Coulombic efficiency of 98 % for near 200 cycles.     

N-Doped Graphdiyne Coating for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries

Nonuniform nucleation is one of the major reasons for the dendric growth of metallic lithium, which leads to intractable problems in the efficiency, reversibility, and safety in Li-based batteries. To improve the deposition of metallic Li on Cu substrates, herein, a freestanding current collector (NGDY@CuNW) is formed by coating pyridinic nitrogen-doped graphdiyne (NGDY) nanofilms on 3D Cu nanowires (CuNWs). Theoretical predictions reveal that the introduction of nitrogen atoms in the 2D GDY can enhance the binding energy between the Li atom and GDY, therefore improving the lithiophilicity on the surface for uniform lithium nucleation and deposition. Accordingly, the deposited metallic Li on the NGDY@CuNW electrode exhibits a dendrite-free morphology, resulting in significant improvements in terms of the reversibility with a high coulombic efficiency (CE) and a long lifespan at high current density. Our research provides an efficient method to control the surface property of Cu, which also will be instructive for other metal batteries.     

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。     

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.     

Advances in Artificial Layers for Stable Lithium Metal Anodes

Lithium (Li) metal is considered as the most promising anode material for rechargeable high-energy batteries. Nevertheless, the practical implement of Li anodes is significantly hindered by the growth of Li dendrites, which can cause severe safety issues. To inhibit the formation of Li dendrites, coating an artificial layer on the Li metal anode has been shown to be a facile and effective approach. This review mainly focuses on recent advances in artificial layers for stable Li metal anodes. It summarizes the progress in this area and discusses the different types of artificial layers according to their mechanisms for Li dendrite inhibition, including regulation of uniform deposition of Li metal and suppression of Li dendrite growth. By doing this, it is hoped that this contribution will provide instructional guidance for the future design of new artificial layers.     

基于聚苯乙烯磺酸的锂金属负极界面保护层的设计

将聚苯乙烯磺酸(PSS)进行锂化处理后, 涂覆在锂箔表面, 在锂金属表面构筑一层均匀的聚苯乙烯磺酸锂(PSSLi)界面保护层, 形成PSSLi@Li复合电极. 通过红外光谱(FTIR)、 电化学阻抗谱(EIS)、 电池性能分析和有限元多物理场仿真模拟等方法, 对该复合电极进行了结构和性能研究. 结果表明, PSSLi界面保护层能有效地避免电解液与锂金属的直接接触, 抑制了“死锂”和锂枝晶的生成. 聚苯乙烯磺酸锂具有整齐排布的磺酸基团, 为锂离子提供了稳定的传输通道, 能够均匀化锂离子的迁移速率, 调节锂离子在电极表面的浓度分布, 并实现均匀的锂金属沉积/剥离. 电化学实验数据表明, 将该PSSLi界面层涂覆在铜箔表面进行库仑效率测试, 循环 350次实验后仍然能够保持在99.5%以上; 利用PSSLi@Li复合电极组装形成的对称电池, 在1 mA/cm²的电流密度、 1 mA·h/cm²的面积容量下, 能够稳定循环1200 h以上; PSSLi@Li与磷酸铁锂正极材料组装的全电池, 在1C倍率下循环500次后, 仍具有115 mA·h/g的容量, 容量保持率可达81%以上; 在8C的高倍率下, 该电池的容量可达到105 mA·h/g.     

Regulating Interfacial Lithium Ion by Artificial Protective Overlayers for High-Performance Lithium Metal Anodes

The main limitation of lithium (Li) metal anodes lies in their severe dendrite growth due to nonuniform Li⁺ flux and sluggish Li⁺ transportation at the anode surface. Fabricating artificial protective overlayer with tunable surficial properties on Li metal is a precise and effective strategy to relieve this problem. In this Concept article, we focus on the basic principles of regulating interfacial Li⁺ through artificial protective overlayers and summarize the material preparation as well as structural design of these overlayers. The remaining challenges and promising directions of artificial protective overlayers are then highlighted to provide clues for the practical application of Li metal anodes.     

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、...     

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