金属锂负极表面的固体电解质界面膜

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金属锂表面的SEI组成、结构及表征示意图

金属锂负极以其十倍于传统石墨负极的理论容量 (3860 mA h g-1, 石墨负极: 372 mA h g-1) 和最负的电势 (-3.045V),成为电池储能界的“圣杯”。当金属锂负极与高能量密度的硫(理论能量密度: 2600 Wh kg-1)和氧气正极(理论能量密度5210 Wh kg-1)耦合使用时,有望满足纯电动汽车对于能量密度的需求,提高电动汽车单次充电的行驶里程,为中国的雾霾问题提供新的解决思路。

作为一种具有重要研究前景的电池储能系统,金属锂电池引起了学术和产业界研究人员的极大关注。目前限制金属锂负极应用的主要问题是充电过程中的枝晶生长。一方面,枝晶生长会导致电池短路,从而引发电池系统热失控、电解液着火等一系列安全事故;另一方面,枝晶生长增加了锂金属与负极的反应活性,消耗了活性物质,造成电池利用率的下降。枝晶生长主要是由于在金属-电解液界面上的锂离子分布不匀,造成集流体表面的锂离子在时间和空间上的不均沉积,形成树枝状的锂枝晶。因此,对锂金属-电解液界面进行充分研究,实现锂离子在界面上的均匀分布,对研究锂离子在负极表面的沉积行为有重要意义。

近期,中国清华大学(北京)张强教授课题组与美国西北太平洋国家实验室的张继光教授合作,在国际著名开源期刊《尖端科学》上撰写研究综述 (Advanced Science DOI: 10.1002/advs.201500213),评述了目前金属锂负极表面固体-电解质界面膜的形成机理、表征手段和调控方法,并对锂金属电池的发展进行了展望

上个世纪七十年代末,以色列特拉维夫大学的Emanuel Peled教授提出了固体电解液界质膜的概念。在本综述中,首先介绍了理想的固体电解质界面膜的典型特征: (1)允许锂离子通过但对电子绝缘,从而以保护金属锂不受电解液的侵蚀和反应,提高库伦效率;(2)在结构和成分上处处均匀,以实现锂离子的均匀分布,抑制枝晶的出现;(3)具有高的模量,可抑制枝晶刺穿隔膜。而真实体系工作状态金属锂表面的固体电解质界面膜却在成分、结构和空间分布上差异。锂离子分布并不均匀,SEI模量低,金属锂枝晶容易刺穿。为了明确揭示金属锂负极表面的固体电解质界面膜,作者总结了界面膜形成的机理和结构模型,并阐明不同表征手段在界面膜研究中的作用,从而可获得固态电解质界面膜的表面化学性质、表面形貌、电化学性质,并能在电池循环过程中的对如上特性进行动态追踪。为了在金属负极表面有效构建稳定和高效的固态电解质界面膜,进一步探讨了电解液成分、电流密度、温度等因素对界面膜性质的影响,并从电解液添加剂、非原位界面膜构建、固态电解质、金属锂负极结构设计等方面评述最新的研究进展。

经过近四十年的努力,已对固态电解质界面膜的性质有所掌握,并发展出一些构建稳定界面膜的方法以获得长循环寿命、高库伦效率、高安全性的锂金属电池。但是,至目前为止,研究人员不仅缺乏对固态电解质界面膜的精确成分、结构、形成机理、高效构建的清晰认识,还尚未建立固态电解质界面膜研究的合理理念和方法论。因此,时至今日,可充电的金属锂电池产品也寥寥无几。锂金属电池的商业应用还需要来自物理、化学、材料、工程应用等学科的进一步通力合作,开展更为深入的基础研究和技术探索。通过对固态电解质界面膜的深入研究,以锂金属为负极的锂硫电池、锂空气电池及其他新型电池在高续航时间的便携式电子设备、高行驶里程的电动汽车上有巨大的应用前景。

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