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下一代高能电池:锂金属电池复兴!

导读: 锂金属电池(LMBs)是最有希望的下一代高能量密度存储设备之一,能够满足新兴行业的严格要求。文章介绍了锂离子沉积/溶解行为的最新进展,以及锂金属负极的失效机理。

【引言】

锂金属电池(LMBs)是最有希望的下一代高能量密度存储设备之一,能够满足新兴行业的严格要求。然而,直接应用金属锂可能带来安全问题、较差的倍率和循环性能,甚至负极材料在电池内部的粉碎。其主要原因包括大极化和强电场引起的异质沉积导致的枝晶生长、金属锂极度活泼、循环时锂体积无限变化等。这些缺点严重阻碍了LMBs的商业化。

电池领域的各研究小组深入探讨了锂金属负极的失效机理,提出了解决上述问题的有效方法。锂离子的沉积行为、枝晶成核和生长机理、负极-电解质界面的影响等得到了深入研究。2014年~2016年,500多篇涉及上述难题的论文得以出版,2016年以来平均每月有15篇相关文章出炉。这些研究对下一代高能量密度LMBs锂负极的复兴起了很大作用。

近日,华中科技大学的翟天佑教授和李会巧教授(共同通讯)等人在Advanced Materials上发表了题为“Reviving Lithium-Metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries”的综述文章。文章介绍了锂离子沉积/溶解行为的最新进展,以及锂金属负极的失效机理。

下一代高能电池:锂金属电池复兴!

综述总览图

1 概述

高端通信终端、电动汽车(EV)、航空航天、大型储能站等新兴行业已经进入了快速发展的阶段,因此高能量密度存储已成为当务之急。鉴于寿命和安全性,现有的“摇椅式”锂离子电池(LIBs)或钠离子电池(NIBs)是合适的选择。但是即使插入式LIB系统的能量密度通过调节电池的每个部件能接近其理论值,却仍然远低于预期能量水平。主要原因在于循环过程中的单离子嵌入反应严格限制了正极的能力。无论是层状LiCoO2、富Li或富Ni的LiMO2(M = Ni、Co、Mn等)、掺杂尖晶石LiMxMn2-xO4(M = Ni、Cu、Cr、V等)还是橄榄石LiFePO4,它们都不能实现大于250mA h g-1的容量。这种情况促进了基于多离子反应的正极的发展,例如理论容量高达1672mA h g-1的S和O2。

值得一提的是,这些无锂正极只有在与含锂负极配对时才能投入实际应用。金属锂本身可以作为S和O2正极的理想负极,因为它具有最高的理论容量(3860 mA h g-1),最低的密度(0.59 g cm-3)和最负的电化学电位(-3.04 V )。与现有的LIBs相比,金属锂作为负极进一步提高了锂金属电池(LMB)的能量密度,如图1所示,Li-O2和Li-S电池系统分别具有高达3505 W h kg-1和2567 W h kg-1的理论能量密度。这些锂金属电池系统充分发挥了金属锂的优势,具有满足新兴行业严格要求的巨大潜力。

图1 锂离子电池和锂金属电池示意图以及失效机理

下一代高能电池:锂金属电池复兴!

a)锂离子电池示意图;

b)锂金属电池示意图;

c)典型电极材料在电压和容量方面的比较,LMBs的能量密度远大于LIBs;

d)锂枝晶引起的安全问题;

e)连续副反应引起的较低的循环性能;

f)负极内无限的体积变化引起的负极粉碎。

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