廉价金属负极的研究进展及其在高效二次电池中的应用

随着便携式电子设备、电动交通工具、储能电站等市场的快速增长,社会对于开发高能量密度、低成本的新型能源存储器件的需求日益增长。传统的锂离子电池多使用石墨类负极材料,其通过锂离子在层间的嵌入/脱嵌实现电池反应。这种工作方式使得石墨的理论比容量仅有372 mAh g-1,不利于高能量密度的获得。廉价金属负极材料拥有容量高、安全性好、造价低等优点,具有巨大的应用潜力。然而金属负极在充放电过程中存在较为显著的体积变化,使得电极材料容易开裂粉化,导致快速的容量衰退和循环寿命减少。

AENM-tangyongbing

近日,中科院深圳先进技术研究院唐永炳研究员(通讯作者)及其团队成员王蒙博士(第一作者)等人从金属材料与锂离子的合金化反应机理出发,综述了铝、锡、镁、锌、锑和铋等廉价金属负极在锂离子电池中的应用及改善它们的电化学性能的方法。如(1)纳米化设计,通过减小金属材料的尺寸,减轻单个颗粒内部的应力、应变程度,从而缓解由体积膨胀引起的粉化问题;(2)金属材料和无定型碳或者其它多孔导电材料复合,通过引入具有多孔结构的非活性的材料,在金属负极体积膨胀时可以提供一定缓冲,防止粉化及丧失电接触现象;(3)以有活性的金属材料与其他非活性物质构建合金或金属间化合物,在保证金属材料结构强度的同时还可有效缓解合金化引起的体积膨胀作用。除此之外,文章还讨论了廉价金属负极材料在一些新型电化学储能体系,如钠离子电池、铝离子电池、镁离子电池、锌离子电池、双离子电池等中的应用及最新进展。作者希望通过深入探讨多种改性方法对提高廉价金属负极电化学性能的作用,揭示金属负极的组成、结构与其电化学性能之间的构效关系,促进基于廉价金属负极的二次储能电池的发展。

本工作已在线发表于Advanced Energy Materials上(DOI:10.1002/aenm.201700536)。