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科学研究
保护锂金属负极: 从液态电解质到固态电解质
 最后更新: 2020-04-21  作者: 佚名  浏览: 301次

  较高的理论比容量(3860 mAh/g)与最低的还原电位(-3.04 V vs SHE)等优点使金属锂成为高能量密度电池负极的理想选择。但金属锂较高的活泼性导致其在充放电过程中易产生枝晶,并由此引发一系列的安全问题,阻碍了锂金属电池的商业化进程。

  为了深刻地认识锂枝晶的成核、生长机理以及相关保护措施,希望为锂金属电池的商业化发展提供理论指导,本团队在Green Energy & Environment上发表了题为“Electrolyte forlithium protection: From liquid to solid”的文章,对锂金属电池目前存在的问题进行全面归纳。现有的一系列研究工作表明,通过优化电解质的组成调控电极/电解质界面是保护锂金属负极最简单有效的方法。文章系统地总结了从液态电解质到凝胶电解质及固态电解质在保护锂金属负极方面的最新进展。

  电池中理想的电解质体系应具备: (1)在较宽的温度范围内具有高的离子电导率;(2)锂离子迁移数接近1;(3)热稳定性好;(4)环境友好、廉价易得;(5)加工性能好,易于规模化制备等特点,但现有电解质体系难以同时满足上述要求(见图1)。

 

图1. 理想电解质体系与现有电解质体系的的特点对比

(图片来源:彩票注册_彩票最佳网投平台_彩票最新平台app-诚信第一 Green Energy & Environment)

 

  在液态电解质体系中,金属锂易与有机溶剂发生副反应生成较厚的SEI膜,不利于锂的均匀沉积。较有效的应对策略包括引入成膜添加剂和(局部)超浓电解液。加入特定添加剂可优先还原生成SEI膜,抑制电解液的还原分解;超浓电解质体系或溶剂化离子液体,可通过阴离子的还原得到致密且富含LiF的SEI膜,实现锂金属的均匀沉积。但传统有机液态电解质在电池使用过程中会因碰撞易导致电解液泄露,从而引发安全问题。而凝胶电解质体系可以将有机液体局限于聚合物基体中形成凝胶态,从而很好地解决这一问题,且其良好的室温电导率特性保证了电池的倍率性能。

  相较于前两种电解质体系,固态电解质在提高锂金属电池的安全性能及能量密度上具有优越性,被认为是实现锂金属电池商业化应用的理想电解质体系。然而聚合物固态电解质室温电导率较低、无机固态电解质界面相容性较差,使得这两种电解质均难以满足目前的需求。文章指出聚合物-无机复合固态电解质有望结合两者的优点,最先实现固态电解质的商业化应用。

  最后,文章从电解液的添加量及锂金属负极厚度的量化、良好的电极相容性及可加工性、机器学习和高通量筛选辅助电解质开发等四个方面对电解质的发展方向进行了展望,并指出在保证机械性能和离子电导率的前提下,凝胶电解质体系或固态电解质体系有望成为锂金属电池商业化应用的主流电解质体系。

 

 


原文链接:

原文作者:

Xiaohong Wu, Kecheng Pan, Mengmin Jia,Yufei Ren, Hongyan He, Lan Zhang*, Suojiang Zhang*

 

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