Advanced Energy Materials:迂曲度调制用于高能量和高功率密度锂金属电池

锂金属电池被认为是有望为便携式电子产品和电动汽车提供动力的高能量系统。然而,由于锂离子通量不均匀,锂金属电池总是在金属锂负极中经历不可控的锂沉积,导致其输出功率受限,妨碍了其实际应用。低迂曲度阵列在金属锂负极中引导锂离子的快速传输和金属锂的均匀生长已经有了深入研究,有望助力实现高功率锂金属电池。

北航杨树斌教授课题组近日在Advanced Energy Materials上发表了题为“Tortuosity Modulation toward High-Energy and High-Power Lithium Metal Batteries”(DOI: 10.1002/aenm.202003663)的综述文章,该综述首先揭示了锂金属电池电化学动力学和迂曲度之间的关系,尤其是金属锂负极,并系统地总结了低迂曲度锂负极的材料设计策略;同时,低迂曲度阵列在引导锂金属电池的正极和固体复合物电解质中的快速离子迁移方面也很有效;最后还讨论了调制低迂曲度结构特性以实现高能量和高功率密度锂金属电池存在的挑战。

锂金属电池电化学动力学涉及三个步骤:(ⅰ)电解质中的离子传输,(ⅱ)电解质/电极界面处的电荷转移,(ⅲ)离子在电极中的扩散。如图1b所示,在纯金属锂电极中,锂箔具有极低的孔隙率,从而导致体相电极中的离子传输路径被阻塞,因此,Li+/Li的氧化还原仅在有限的锂/电解质界面处发生。多孔杂化金属锂负极具有更多的离子传输路径(图1c),优于纯金属锂负极(图1b),类似于传统锂离子电池的多孔电极(图1a)。然而,在大多数情况下,多孔杂化锂负极由随机排列的结构组成,具有高迂曲度的传输路径,导致杂化锂负极中的有效扩散系数低且离子传输迟缓。为了避免这些问题,一种有效的策略是降低杂化负极的迂曲度(图1d),从而极大地促进了锂在杂化负极中的快速传输。

图1. a)锂离子电池传统多孔负极,b)纯锂负极,c)三维多孔金属锂负极,和d)垂直排列金属锂负极对应的锂离子传输路径示意图。

因不可控的锂枝晶生长以及低的库伦效率,金属锂负极的容量快速衰减。大量研究表明,金属锂负极的锂枝晶生长源于锂沉积过程中不均匀的锂离子通量和电场。与此同时,充放电过程中电极的体积波动引发固体电解质界面破裂,进一步加剧新暴露锂的副反应和不均匀的锂沉积,导致低的库仑效率和快速衰减的容量。为了有效解决这些问题,有效的策略是合理设计并制造低迂曲度杂化锂负极,以促进锂离子的可控传输和金属锂的均匀生长。低迂曲度锂负极具有高的有效扩散系数,从而促进锂在阳极整个厚度上的均匀沉积。此外,锂负极的体积波动可以通过将体积变化局部化到低迂曲度结构的锂纳米域中减轻。如图2所示,引导锂离子在低迂曲度锂负极中可控传输的策略有以下三类:(1)通过绝缘材料规整锂离子流;(2)通过导电材料均匀化电场;以及(3)通过亲锂材料引导锂的成核和垂直生长。

图2. 采用具有垂直排列结构的绝缘,导电和亲锂材料在杂化锂负极中引导锂传输的示意图。不均匀的锂离子通量,电场以及上表面沉积会导致枝晶生长失控,并导致锂负极失效。 引导锂传输的策略包括:a)均一化锂离子通量;b)均一化电场;以及c)引导锂的成核和垂直生长,相应的杂化锂负极展示在图末。