Nano Select:纳米材料实现下一代锂金属电池

由于碳基负极理论比容量的限制,锂离子电池的缓慢发展难以满足社会需求。作为具有高能量密度的锂金属电池(LMBs)渐渐重新回到人们的视线。然而,由于金属锂固有的超高反应活性,可与几乎所有有机电解液组分发生反应,导致固态电解质界面(SEI)的不断生成。原始SEI具有化学异质性和机械易破裂性,其不稳定性将引发枝晶的快速生长,带来巨大的效率问题和安全隐患。研究人员通常采用引入锂金属负极骨架、人工修饰界面等策略抑制枝晶生长,提高锂金属负极SEI的稳定性。然而,由于枝晶生长的复杂性,锂金属电池的发展仍处于初级阶段。纳米材料与纳米科技的蓬勃发展,为推动高比能电池的发展提供了新的可能性。

近日,北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授课题组针对纳米材料在锂金属电池中的应用进行系统性综述。主要介绍了纳米结构负极骨架和纳米人工SEI的研究进展,并展望了高比能锂金属电池的发展方向。相关综述论文发表在Wiley出版社旗下新期刊Nano Select上(DOI: 10.1002/nano.202000003)

纳米结构锂金属负极:锂金属负极在循环过程中会遭受剧烈的体积膨胀/收缩,导致剧烈的枝晶生长和电极粉化。纳米骨架的引入有效限制了体积变化,引导锂金属均匀沉积。基于骨架材料的电学性质,纳米锂金属负极骨架可分为导电纳米骨架与不导电纳米骨架。导电纳米骨架的活性表面积比平板材料高几个数量级,可以极大地降低导电纳米骨架的局部电流密度,显著缓解由于连续电沉积造成的锂离子浓度梯度以及离子耗竭。不导电纳米结构骨架材料中的纳米尺度离子孔道能够调节锂离子的扩散,与平面电极相比,锂离子在纳米骨架中得到了有效的重新分布,有助于实现均匀的锂沉积。另外,其不导电特性保证了自下而上的锂沉积方式,这对骨架的高效利用有重要意义。不导电骨架中丰富的纳米孔结构为电解液浸润和锂沉积提供足够空间。此外,不导电骨架材料表面的极性官能团可以吸附锂离子,从而补偿由连续镀锂所引起的离子梯度。

纳米人工SEI由于锂金属自身高反应活性,与非水电解液接触后会马上产生SEI。原始的SEI难以维持稳定长循环。在锂金属表面构建纳米尺度人工界面被证明是显著提高锂金属负极的可循环性的有效策略。根据制备方法的不同,锂金属与电解质之间的保护膜可分为两种:原位构建的人工SEI(图5)和非原位法制备的保护涂层(图6)。原位法主要通过原位化学反应调控SEI的组成和纳米结构,具有简易、低成本,易于工业放大的特性。同时,原位生成的过程确保了SEI与金属锂的紧密贴合。然而,难以精确调控SEI组分与纳米结构的内在缺陷阻碍了原位法的进一步发展。非原位的方法的出现弥补了以上的不足。非原位人工SEI主要通过溶液刮涂、物理气相沉积(磁控溅射等)、化学气相沉积(原子层沉积、分子层沉积等)方法实现。先进的技术手段实现了纳米尺度界面层的均匀可控沉积,为实现高比能锂金属电池提供了新的可能性,但其较高的成本和局限的原材料需要研究人员进一步考虑。

锂金属负极的高活性、枝晶的剧烈生长、SEI的不稳定性严重阻碍了锂金属电池的应用。纳米技术和纳米材料为锂金属保护带来了全新的见解与进展。为了进一步提高提升锂金属电池的寿命与安全性,未来在发展先进的原位纳米表征手段;深入理解复杂电池界面的内部机理;持续优化纳米材料的结构和功能;发展具有高安全性和电/化学稳定性的固态电解质;深入结合理论方法与实验研究等方面仍具有广阔的研究及发展空间。