Advanced Energy Materials:固态电池中的枝晶:离子输运、先进表征和界面调控

为应对快速增长的能源需求,研究人员在新型电化学储能材料与系统的开发方面投入了大量精力,以期实现高效电荷存储,高安全性,高能量密度和长循环寿命。目前,商用锂离子电池大都采用石墨负极材料,但石墨负极理论比容量较低,无法满足长续航、大规模储能的实际要求。轻质、高比能锂金属负极有望实现国家对新能源电动汽车能量密度500 Wh/Kg的目标。但金属锂的高电化学反应活性和枝晶在易燃有机电解液中的持续生长,使得锂金属电池在安全性上面临严峻挑战。

固态电解质(SSE)具有不易燃,不泄露,加工性好,宽温区等诸多性能优势。且根据Newman模型预测,当SSE剪切模量超过金属锂剪切模量2倍时,锂枝晶生长可被有效抑制,有望实现高安全、高稳定锂金属电池,储能界对于固态电池的研究兴趣也因此不断增长。但大量研究表明事实并非如此,在固态电极/电解质界面的缺陷(如裂纹、杂质、晶界、孔隙)位置,枝晶的成核和成长更为容易。随着研究的深入,人们开始认识到固态电池(SSBs)所面临的关键科学问题和技术挑战与液态电解质截然不同,抑制枝晶生长是固态锂电池发展所面临的关键,需要在表征手段的协助深入理解固态电解质-锂负极界面的演化机制,进而建立全新的固体界面电化学理论体系。

该综述文章首先讨论了局部界面几何特性对电沉积和电荷传输动力学的影响,确切地说:(1)固态体系中电化学势和临界电流密度随着表面张力和机械应力的变化而变化;(2)界面处物化性质不均匀产生额外的电-化学-机械电势导致枝晶的成核和形成。

此外,该文章重点介绍使用先进的可视化表征技术。为了揭示Li/SSE界面枝晶生长背后的科学原理,可视化的先进表征方法被逐步用于检测运行状态下电池界面的结构和组分变化。根据分辨尺度可将表征方法分为两类:(1)用于研究宏观锂电沉积过程的各种成像技术,如分辨率为数十微米或数百微米的核磁共振成像,中子成像,以及光学显微镜成像;(2)用于研究微观结构及表界面化学的表征方法,如分辨率为亚微米甚至纳米的同步辐射X射线层析成像,扫描/透射电子显微镜成像,冷冻电镜成像,以及能观测局部结构改变和界面离子交换的核磁共振。这些先进的表征技术能够使我们回答与枝晶生长有关的各种各样的问题,为固态电池化学体系中高比能金属锂负极的应用注入强劲的动力。

最后,该综述还探讨了开发新型SSE抑制界面锂枝晶生长的可能途径和策略:(1)在界面处的纳米化工程策略缓解锂离子浓差极化、降低界面电阻,并最终实现无枝晶锂金属负极在SSBs中的应用;(2)在Li/SSE固固界面构建软体材料,以缓解刚性不良接触和体积膨胀引发的界面失效。

综上所述,枝晶问题的最终解决需要多学科共同努力,且有必要结合模拟和计算理解复杂的界面演化过程,最终构建具有化学、电化学和机械稳定性的Li/SSE界面。

论文信息:

Dendrites in Solid-State Batteries: Ion Transport Behavior, Advanced Characterization, and Interface Regulation

Zhenjiang Yu, Xueyan Zhang, Chuankai Fu, Han Wang, Ming Chen, Geping Yin, Hua Huo,* Jiajun Wang*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202003250