Small Structures:展望:磁场下锂负极的安全性与循环性能

以锂金属为负极的可充电电池的能量密度可数倍于现今广泛使用的高比能锂离子电池。因此可充电锂金属电池在高比能电池应用领域被寄予厚望,以替代锂离子电池。特别是电动汽车的发展,使得发展高比能锂金属电池越发显得重要和必要。这些锂金属电池包括锂硫电池、锂空电池、以及任何以锂金属为负极并配以储锂正极的二次电池。虽然锂金属电池拥有广阔的应用前景,但是它们目前都存在着严重的问题而无法商业化。其中有两个共性的问题是伴随金属锂负极的使用带来的,亦即锂金属负极会导致电池寿命短并且造成严重的安全问题。在充放电循环过程种,由于电解液在锂金属负极上会不断的分解,使得电解液不断被消耗;电解液分解后在锂的表面形成的钝化膜也可能使部分锂失去活性无法参与反应。这两个原因导致锂负极的循环性能非常差。同时在循环过程种,锂负极上会有锂枝晶的生长。当锂枝晶生长到正极的时候,电池就会短路,严重的时候会引发自燃、甚至爆炸。如何解决锂枝晶的这两个问题是开发可充电锂金属电池的一个关键。

使用磁场可能会有效地克服锂负极存在的缺陷,因为磁场的存在可以改变电化学过程,从而影响电沉积锂的形貌和锂枝晶的生长方式。近期已有数篇文献对此进行了证实。但是磁场对电化学过程的影响非常复杂,不均匀的传质也会增强锂枝晶的生长,进而降低循环性能和安全性。为此,新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院徐梽川课题组研究了磁场对锂负极的影响,并且评述了利用磁场提高锂负极性能存在的挑战和机遇。相关论文发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000043)上。

该论文从磁场对电化学过程的影响开始讨论,引出电化学过程中洛伦磁力所引起的磁流体动力学效应。随后以实验证明磁场也有可能使锂负极的性能更差,并且使锂枝晶引发的短路更容易发生。再结合已有报道,提出一种竞争性的关系来解释磁场对锂负极的影响:磁场会引入多种磁流体动力学效,包括使得电极上电流分布不均、增强质量传输、以及使锂枝晶周围锂离子重新分布。前两者有利于锂枝晶生长,而最后一个却可以抑制锂枝晶生长。它们之间的竞争决定了磁场是否有利于提高锂负极的性能。各效应之间的竞争性可能由多方面决定,包括电解液、磁场强度和方向、电沉积基底、充放电机制等。作者最后评述了使用磁场提高锂负极性能存在的挑战和机遇:全面理解磁场对锂负极影响、量化磁流体动力学效、理论建模,同时也展望了磁场在其它正负极上的应用以及实际应用需要考虑的问题。