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。     

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。     

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。     

三维铜基集流体的构筑及在锂金属电池中的应用

锂金属因其具有超高比容量(3860 mAh·g^-1)以及较低的氧化还原电势(-3.04 V vs 标准氢电极),被认为是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料。然而“无宿主”的金属锂在金属/电解液界面层进行沉积/剥离,不可避免地会生长枝晶,不仅使电极表面电流分布不均,同时可能会刺穿电池隔膜而导致电池短路。通过构造三维集流体/锂金属复合负极可以有效调控锂沉积行为并抑制枝晶生长,从而提升电池的库仑效率、循环寿命以及倍率性能,该领域近年来一直都是研究的热点。本文首先总结了基于三维集流体抑制锂枝晶的相关原理和模型;其次针对用于负极的铜基集流体,根据构成三维结构基底单元的维度,总结了三维铜基集流体的制备方法及其在锂金属负极保护方面的应用;最后,对三维集流体构造复合锂负极进行了总结和展望。     

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...     

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。     

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、...     

热压法构筑锂负极聚偏氟乙烯基双功能保护层的研究

锂金属具有高比容量(3860 mA·h/g)和低电化学电位(-3.04 V vs. SHE), 是一种极具潜力的新型电池负极材料. 然而, 锂金属电化学稳定性差, 导致电池循环寿命受限, 容易产生枝晶, 造成电池短路, 引发安全风险, 而其对空气及环境的高度敏感性也极大增加了电池制作的难度与成本, 限制了其应用推广. 改善锂金属负极的界面稳定性被认为是提升锂金属电池性能的重要途径. 本文通过简单直接的热压法在锂金属负极表面构筑了聚偏氟乙烯(PVDF)基双功能保护层, 使锂金属的空气稳定性提升至约120 min, 并延长了锂金属对称电池的循环寿命至约1200 h; 再通过在PVDF保护层内引入亲锂的SnO₂粒子, 形成的无机有机复合保护层可以通过原位合金化反应提供锂沉积的形核位点, 在保持良好循环稳定性的基础上进一步降低成锂沉积的过电位, 极化过电位从0.016 V降低到0.007 V. 含有该保护层的全电池展现出约200次的长循环寿命与90%以上的高容量保持率, 在3C高倍率下放电比容量仍达127 mA·h/g. 提出的双功能电极界面保护层策略能有效提升锂金属负极空气稳定性和电化学性能.     

全固态锂金属电池多物理场耦合下的电化学过程仿真模拟

基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对氮氧化锂磷(LiPON)基全固态锂金属电池进行有限元模拟. 使用3次电流分布、 稀物质传递、 固体传热与固体力学等接口实现了多物理场在固态锂电池体系内部的耦合, 并完成了对于全固态锂金属电池本身在给定物理参数的情况下实际运行的电化学性能仿真. 在此模型中, 电池在运作时的热管理以及应力分布均得到有效的计算. 利用锂金属负极表面沉积的数据分析得到了锂枝晶生长的可能原因. 结果表明, 全固态锂电池的容量衰减以及枝晶生长等安全管理的失控并不只是单一因素控制的结果; 体系的浓度梯度、 应力预分布、 传热传质过程的控速步骤与充放电过程的体积变化等都会对电池的性能与安全管理产生不同的影响.     

聚丙烯腈在锂金属电池电解质中的应用

随着便携式电子设备、电动汽车和智能电网等快速发展，人们对高能量密度锂金属电池的关注日益增多。锂金属表面不均匀的剥落或沉积会导致锂枝晶生长，锂枝晶容易刺穿隔膜，存在引发电池短路的风险，而且高反应活性的锂金属会与电解液不断反应被消耗，生成不稳定的固体电解质界面（SEI）膜，造成不可逆的容量损失，因此兼顾高能量密度与高安全性是锂金属电池发展应用中亟需解决的关键科学问题。具有强吸电子基团（C≡N）的聚丙烯腈（PAN）聚合物与碳酸酯溶剂中C=O的相互作用能形成更稳定的SEI膜，PAN作为锂负极涂层还能抑制锂枝晶的生长；另外，PAN具有较低的最低未占据分子轨道、较高的电化学稳定性和较宽的电化学窗口，能作为锂金属电池的聚合物电解质，并匹配高电压正极，兼具高能量密度和高安全性，故PAN聚合物在锂金属电池的电解质中有着很大的应用潜力。本文从电解质的不同状态（液态、凝胶、固态）介绍了PAN聚合物在液态电解质中作为隔膜、锂负极保护层以及在凝胶电解质、固态电解质的最新研究成果，并对PAN聚合物在锂金属电池电解质中的发展趋势进行展望。     

具有热关断涂层的锂电池隔膜性能表征

介绍了一种具有热关断涂层的锂电池功能隔膜,利用热关断涂层的耐热特点来降低隔膜的热闭孔温度,当电池内部达到一定的温度时,涂层迅速熔化并覆于极片和隔膜之间,形成绝缘层,阻止锂离子的进一步传输,从而提高锂离子电池的安全性. 实验表明,热关断涂层表观均匀,对电池的内阻、倍率性能和循环性能没有不良影响. 电池的安全测试表明,该功能隔膜可表现出优异的安全防护作用.     

脉冲电沉积抑制锂枝晶生成的研究

采用脉冲充电方法替代传统充电方法,研究了在有机电解液 0.5 mol·L^-1 LiBr/PC (碳酸丙烯酯)中,在铜电极上沉积锂的表面变化. 扫描电镜观测结果显示,在传统直流充电时电极表面明显地出现了枝晶,而使用脉冲充电时能够抑制枝晶的生长. 交流阻抗测试结果显示,在占空比为 0.5 时,沉积锂表面固体电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)膜电阻最大,沉积锂表面枝晶较少;单次脉冲电沉积时间过长,会使沉积锂表面 SEI 膜电阻减小,沉积锂表面枝晶增加;电流密度大于等于 2 mA·cm^-2时,脉冲电沉积可有效抑制枝晶生长.     

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。     

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。     

锂硫电池隔膜材料的研究进展

锂硫电池因其具有较高的理论容量和能量密度、原料丰富、环保性好、成本低等优点,被认为是目前最具发展潜力的新型高性能电池之一.锂硫电池主要由正极材料、电解液、隔膜以及负极材料构成.隔膜作为锂硫电池的重要组成部分之一,其性能优劣对电池整体性能有着重要的影响,高品质隔膜材料开发已是锂硫电池重要研究方向之一.本文全面综述了聚烯烃、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、共混聚合物等微孔隔膜和纳米纤维多孔膜在锂硫电池隔膜材料中的最新研究进展,并对未来高性能锂硫电池隔膜材料的开发进行了展望.     

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。     

锂硫电池结构设计研究现状及展望

锂硫电池体系由于理论能量密度高和硫材料资源丰富,成为了极具发展潜力的二次电池之一.但由于放电过程中间产物多硫化物溶于有机电解液,产生穿梭效应,导致活性物质利用率低,造成电池容量损失和循环性能下降,而锂金属枝晶和界面问题同样限制了锂硫电池的进一步发展和利用.研究表明,电池结构设计和改造,如隔膜结构设计、正极夹层设计、正极载硫结构设计以及负极结构设计等方面,有效地缓解了上述问题.本文整理总结了近年来国内外在锂硫电池结构设计上研究思路和进展,并对今后的发展趋势做了进一步展望.     

锂硫电池多功能涂层隔膜的研究进展与展望

先进储能系统的开发对于满足电动汽车、便携式设备和可再生能源存储不断增长的需求至关重要. 锂硫（Li-S）电池具有比能量高、原材料成本低和环境友好等优点,是新型高性能电池研究领域中的热点. 然而,锂硫电池面向实际应用还存在许多问题,如可溶性多硫化物中间体的穿梭效应、锂枝晶生长以及锂硫电池在使用过程中的热稳定性和安全性等. 设计开发多功能涂层隔膜是改善锂硫电池上述不足的有效策略之一,在本综述中,详细论述了锂硫电池多功能涂层隔膜的研究进展. 包括聚合物材料、碳材料、氧化物材料、催化纳米粒子改性的功能化涂层隔膜及增强电池热稳定性、安全性的特种功能隔膜,对其作用特性进行了系统分析,并对未来研究发展提出展望.     

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.     

锂硫电池先进功能隔膜的研究进展

随着电子设备和电动汽车对储能设备性能要求的不断提高,锂硫电池因其多电子转化化学赋予的高能量密度受到广泛关注.当前锂硫电池的实用化受到库伦效率低、正极容量快速衰减、负极循环性能差等问题的制约.针对锂硫电池上述瓶颈,设计多功能电解质系统有望大幅提升活性材料的利用效率及循环寿命.本文综述了近年来锂硫电池中多功能隔膜系统的研究进展,具体包括面向抑制副反应的选择性透过隔膜、面向正极的低界面电阻隔膜以及面向稳定负极界面的隔膜.并展望了锂硫电池多功能隔膜系统面临的科学挑战与未来发展的机遇.