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【干货】锂离子电池vs锂金属电池:未来属于谁?

导读: 由于锂金属具有很强的反应活性,在上世纪90年代至21世纪初逐渐销声匿迹,并被锂离子电池逐步取代,在锂离子电池中,不含锂金属。随着电解液方面的最新进展,锂金属实现了强势回归。

  对于那些成为我们身体延伸部分的设备,如智能手机、可穿戴设备以及电动汽车,对高能量密度的追求是其核心。锂是元素周期表中最轻最具负电性的金属,是负极的最佳选择。 然而,由于锂金属具有很强的反应活性,在上世纪90年代至21世纪初逐渐销声匿迹,并被锂离子电池逐步取代,在锂离子电池中,不含锂金属。随着电解液方面的最新进展,锂金属实现了强势回归。SolidEnergy公司于2012年成立,在锂电池产业处于混乱之际,在电池安全和能量密度方面带来了革命性的改变,并引入了新的商业模式。SolidEnergy实现了锂金属电池技术的复兴,开发了电解液和负极材料,该锂金属电池非常安全,具有超高能量密度。根据锂金属电池材料的特性,锂金属电池可以使用目前锂离子电池的生产工艺,在商业模式上,公司建立了开放型生态系统,与知名公司开展战略合作,来加速这项突破性技术在电池行业的商业化。SolidEnergy的目标是为人来的生活提供能量,无论他们是在用手机和心爱的人通话,还是和家人一起驾驶电动汽车。

  锂电池的历史: 锂离子vs 锂金属

  在过去的30年里,锂电池行业(包括锂金属和锂离子)取得了极大的进展,包括新的正极、更安全的隔膜材料、更好的电芯组装工艺。在负极和电解液方面仅有几次阶跃性的发展,锂电池发展历史可以根据负极来分类,如图1所示。

图1 由负极角度看锂电池的历史

  由于其较低的负电性(-3.04V相对于氢电极)、较低的密度、高锂离子储容量(3850mAh/g),锂金属是负极的最佳选择。从1970年开始,在一次电池的应用中,锂金属就证明了其高能量密度特性,这些应用包括可植入医疗设备、航天航空以及油田服务。最早期的二次可充锂电池在实验室得到验证时,先驱者如Stanley Whittingham和John Goodenough等也使用了锂金属负极、嵌入材料正极如TiS2,LiCoO2,VOx 和MoS2。最早的商业化可充锂电池(图1中第0代)由Moli Energy公司开发,在上世纪80年代他们使用金属锂作为负极,能量密度达到了100-200Wh/kg,200-300Wh/L。

  然而,早期的锂金属电池(第0代)有个主要的缺点,那就是在充电过程中粉末化锂枝晶的形成(在一次电池中不存在此问题)。在充电时,从正极里出来的新生的锂被镀至锂金属负极。当电解液为有机碳酸液时,它与锂金属发生反应生成沉淀型粉末化,该晶状结构可刺穿隔膜导致内部短路甚至爆炸,并引发严重的安全问题。除此之外,电解液与锂金属的反应还形成不稳定的固体电解质界面(SEI)层,消耗了电解液与锂,导致很低的效率。同时,为达到可接受的循环寿命(>200),就需要更厚的锂金属负极,会降低能量密度。

  出于对安全性以及能量密度的关注,工业界由锂金属转向了无锂金属的锂离子,在锂离子系统中,正极和负极均为嵌入化合物。石墨虽然在锂离子存储容量上仅有380mAh/g(锂金属的十分之一),但是允许锂离子自由的嵌入和脱嵌,并形成相对稳定的SEI层,取代了锂金属成为工业界标准负极材料。锂在锂离子系统中以离子形式存在,而不是金属形式。索尼于 1991年商业化了第一个锂离子电池(第1代),使用了石墨负极与LiCoO2正极。尽管索尼也遇到了安全问题,然而相对于第0代锂金属电池,第1代锂离子电池在安全和能量密度方面依然取得了巨大的进步(尽管很多能量密度的进步来自正极和电芯组装工艺 )。Moli公司商业化的第0代锂金属电池逐渐消失了。

  基于石墨的第1代锂离子电池在上世纪90年代至今逐渐成为了市场主流。在2005年左右,工业界尝试提高石墨负极的能量密度,他们通过将不同形式的硅混入形成硅-碳混合负极,将锂离子的存储容量提高至1500mAh/g。尽管硅-碳混合负极面临循环寿命、容积膨胀、不稳定SEI层等问题,依然被认定为第2代锂离子电池,相比于第1代锂离子电池,在重量能量密度(Wh/kg)和体积能量密度(Wh/L)方面均有显著提高。

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责任编辑:Angela
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