Small Structures:多孔材料在金属锂电池中的研究进展

金属锂负极具有超高理论比容量(3860 mAh/g)和非常负的电极电位(3.040 V对于标准氢电极)而被视为最有前景的下一代锂二次电池负极材料。锂负极也是构建高能量密度锂-空气电池和锂-硫电池的关键。但是,锂负极在循环过程的体积膨胀、粉化、枝晶、与电解液之间的副反应严重限制了其电化学性能。多孔材料具丰富的多级孔结构、大比表面积、密度低等特点,对提升锂负极稳定性和安全性具有重要作用而表现出巨大的应用前景。

复旦大学李伟教授和赵东元院士等综述了近年来多孔材料在金属锂电池中的研究进展。从多孔材料作为集流体、三维锂金属骨架、人工保护层以及高性能多孔隔膜四方面总结了多孔材料在金属锂电池中的应用,结果表明多孔材料的应用极大提升了金属锂负极的电化学性能。同时展望了多孔材料未来的发展方向,以进一步提升金属锂负极的性能。相关论文发表在Small Structures。

多孔材料具有非常多的特性,如多级孔结构、丰富的表面基团、大的孔体积等,被广泛的应用于锂负极保护,近年来受到人们的广泛关注和研究。多孔材料作为锂金属骨架,可以有效抑制锂负极在循环过程中体积膨胀;多孔人工锂保护层可以有效隔离金属锂与电解液的接触,同时又能保证较高的锂离子迁移速率,有效减少副反应的发生;多孔固态电解质膜可以提升锂离子在近集流体一侧得均匀性,使得锂沉积更加均匀;带有丰富官能团的多孔材料可以改变电解液和材料的界面特性,诱导锂金属均匀沉积。尽管如此,多孔材料在面向实用化金属锂电池方面仍然存在诸多挑战。首先,大规模、低成本制备多孔材料是一个非常重要研究方向。其次,多孔材料的应用一定程度上降低了锂电池的体积能量密度,而质量能量密度可以通过提高金属锂与多孔材料的比例来提升。如何平衡二者仍然需要进一步优化。此外,影响锂金属电池的因素之众多,大多数多孔材料应用于锂负极的报道的结果缺乏可比较性,这是目前存在的另一个问题。总而言之,多孔材料的应用对提升金属锂电池电化学性能具有重要意义,但在评价多孔材料的电化学性能的过程中应该更多关注实际应用时的条件。