Small Methods 锂-氧气电池中含锂负极研究进展:面临的挑战及改进策略

Untitled近年来,便携式电子设备,不间断电源,电动汽车及智能电网的迅猛发展与不断扩大对能源转换储存体系提出了更高的要求。开发安全可靠的高比能量锂二次电池已成为下一代锂离子电池发展的必然趋势。以金属锂作为负极,空气中的氧气作为正极,非水溶液作为电解质的锂-氧气电池,通过锂与氧气之间的电化学反应获得能量,理论比能高达3200 Wh/kg,是目前高性能锂离子电池理论能量密度的8~10 倍。该电池体系还兼顾低成本和环境友好的优点,符合电动汽车对动力电池的需求和便携式电子设备对化学电源的需求。因而,被普遍认为是介于燃料电池和锂电池之间极具希望的新一代储能系统。

金属锂是锂-氧气电池高比能量的来源之一。它即可以看作大比容量和低电极电位的负极,也可以看作锂-氧气电池中的“燃料”。 对于锂-氧气电池来说,金属锂负极将面临比在锂电池和锂-硫电池等封闭体系中更为严峻的挑战。近年来,对金属锂负极的研究已经成为提升锂-氧气电池储能效率、循环寿命和安全性能提升的关键。总体来看,金属锂负极除面临的充放电效率低、安全性能差(与锂枝晶的生长相关)等问题外,在锂/氧气电池中,O2、H2O、CO2等对金属锂负极的腐蚀也是导致电池性能差的另一个主要原因。因此,改良锂-氧气电池,特别是限制枝晶生长,阻挡污染物(O2, H2O等)攻击负极已经成为广大科研人员攻坚的主要阵地。目前,改善锂电池循环性能的主要做法主要分为以下几个方面: 1)选择在充放电过程中不会形成锂枝晶的锂基合金负极来替代金属锂负极,如锂化的碳、硅、锗、锡、铝等; 2)通过在金属锂负极表面原位形成的SEI膜或人工构筑保护膜来抑制锂枝晶生长,阻挡O2, H2O等; 3)通过功能化的隔膜,离子选择性薄膜/支架以及固态或准固态电解质来抑制枝晶生长,阻挡O2, H2O等攻击金属锂负极,以达到提高锂/氧电池循环寿命的目的。

南京大学现代工程与应用科学学院何平和周豪慎等总结和梳理了锂-氧气电池中金属锂负极遇到的关键问题。并从分别从可替代含锂负极,表面钝化,功能化隔膜,离子选择性保护膜/支架及固态电解质的角度较为全面地论述了该半开放体系中金属锂负极的保护策略与改良方案。并为锂-氧气电池含锂负极今后的发展指明了方向。相关成果发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700135)上。

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