Small Methods:锂金属负极在产业化应用进程中的挑战及改善策略

随着便携式电子设备和电动汽车市场的迅猛发展,人们对二次电池的能量密度提出了更高的要求。锂金属具有较高的理论能量密度(3860 mAh g-1)和最低的电极电势(-3.040 V vs SHE),被认为是二次电池负极材料中的“圣杯”。 目前,锂金属负极的产业化应用主要面临着两大挑战:锂枝晶和电解质/负极界面稳定性问题。锂枝晶生长可能刺穿隔膜,导致电池短路,甚至引发火灾。同时,枝晶在循环过程中也容易形成“死锂”,导致活性锂的损失。在电池充放电过程中,持续的界面副反应不断消耗锂负极和电解液,导致电池干涸和容量快速衰减。因此,如何抑制锂枝晶生长、改善锂负极/电解液界面稳定性,已成为相关学者研究的热点。

中国科学院大连化学物理研究所李先锋研究员和张洪章研究员等人在Small Methods上发表了题为“The Challenge of Lithium Metal Anode for Practical Application”的综述文章,从锂金属负极稳定性的机理研究和改善策略两方面进行了详细总结,并提出锂金属负极产业化应用进程中的重要研究方向。首先,该文章在现有理论及模型的基础上,详细阐述了锂负极表面固体电解质界面层(SEI)的结构和物质传输机理以及锂枝晶的形成和演化机理,归纳出锂金属负极安全及循环稳定性的影响因素及作用机制。此外,文章进一步从三方面综述了近期锂金属负极稳定性的改善策略:负极锂沉积行为的调控策略;高稳定性SEI层的构筑策略;固态电解质的开发策略。从产业化应用角度考虑,其中制备高柔韧性及高机械强度的人工SEI层、优化局部高浓度电解质体系、开发高离子传导性的无机/聚合物复合固态电解质,是有效提高锂金属负极循环稳定性及安全性能、推动锂金属电池产业化应用进程的重要研究方向。同时,文章还指出在锂金属负极结构设计过程中,应减少空隙和惰性组分的引入,保证锂金属电池的高能量密度。

相关文章发表在Small Methods (DOI: /10.1002/smtd.201800551)上。