Engineering Reports:含锂合金有利于稳定锂阳极

随着电动车及电网储能的迅猛发展,高安全性及高能量密度的电池储能系统亟需发展。锂金属因其最高的理论比容量和最低的电化学势能被认为是最好的高能量密度电池,其作为一种可充电电池的阳极最早出现于20世纪70年代,由Whittingham发现,其商业化则在其后由Moli Energy实现。但由于枝晶形成导致火灾使得人们对于锂金属作为阳极的可充电电池的安全性产生质疑,从而影响其商用价值。

尽管索尼开发了石墨阳极来取代金属锂阳极,当与LiCoO2阴极配合时,成功地制造了可靠的锂离子电池,并一直被广泛使用到现在。然而,随着电子设备和电动汽车的蓬勃发展,人们迫切需要更高能量密度的锂离子电池。因此研究者们仍然付出巨大努力来解决令人头疼的关于锂金属枝晶形成的问题。

最近,江苏师范大学的赖超团队基于147篇近期论文,综述了锂合金作为一种更稳定且无枝晶的阳极用于可反复充电的锂金属电池替代锂阳极的研究过程,并讨论了未来锂金属电池中含锂合金的应用挑战和研究焦点。

本文首先总结了锂金属作为阳极失败的原因,认为主要是:(1)不可控的界面反应也即副反应,主要是锂金属表面与有机电解质发生反应,从而使得电解质损耗并产生SEI厚膜,增加了电阻;(2)不可控的锂枝晶形成,造成电路短路,使得锂和集电器脱离;(3)在重复电解/电镀过程中,锂阳极无限的相对体积变化对SEI的稳定性产生巨大的挑战。

而后作者从以下五方面总结了目前为止研究者们利用锂合金改善这一问题的努力:(1)直接利用锂合金替代金属锂作为阳极,锂合金可以有效降低锂的成核过电位并减少界面电阻,引导非枝晶锂的形成及生长; (2)以锂合金为基质,构建三维锂合金基复合材料来沉积锂;(3)锂合金阳极覆盖人工保护层,利用无机或有机物薄膜形成人工SEI层从而使得锂均匀沉积而避免枝晶生长;(4)改进锂合金阳极的电解质成分,在现有的液体电解质体系中加入其它添加剂或者改变溶剂的组成,从而提高锂合金阳极,抑制枝晶形成;(5)锂合金改性隔板,通过在传统聚合物隔板的锂面涂覆一层薄的电子导电膜来实现多功能隔板,可以抑制Li枝晶形成并提高循环稳定性。

文章的最后,作者为解决含锂合金作为电池阳极提出困难的解决策略:(1)综合考虑复杂性及成本后可以选择三元/多组分锂合金。(2)构建纳米结构来承载锂合金或制备锂合金基复合材料。(3)在锂合金阳极上构建人工保护/SEI层。(4)开发适用于含锂合金阳极的电解质和隔板。

我们相信,通过研究人员的不懈努力,含锂合金阳极将在高安全性、高能量密度的锂金属电池系统中显示出巨大的潜力。

部分图表:

▲ 部分锂合金的加工工艺及表面形貌
▲ 不同锂合金的理论电容值以及放电的峰值电压

▲ LixM/石墨烯薄片的微结构和加工工艺示意图

▲ 纯Li和Li-B-Mg复合物的电解/沉积过程和SEM下的微观结构

▲ PTMEG-Li/Sn合金嵌合层形成的可能机制

▲ 未来基于锂合金阳极的高安全性和高能量密度金属电池的可能解决策略

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论文信息:

Li-containing alloys beneficial for stabilizing lithium anode:A review

Xingxing Gu, Jing Dong, Chao Lai*

Engineering Reports

DOI: 10.1002/eng2.12339

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eng2.12339