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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。
全固态锂金属电池的发展
从1990年至2010年,如何努力解决锂金属/液态电解质组合中粉末化锂和锂枝晶的形成一支困扰着第0代锂金属电池的发展。主要集中在用固态电解质代替液态电解质,形成全固态锂金属电池。固态电解质包括聚合物电解质、陶瓷电解质。聚合物电解质比较典型的是锂盐和锂离子导电聚合物如聚环氧乙烷(PEO)的结合,陶瓷电解质如LiPON, thio-LISICON, La0.5Li0.5TiO3, Li7P3S11 and Li10GeP2S12。这些固态电解质有非易燃性以及非挥发性,相比有机碳酸酯液体电解质更加安全。
固态电解质可以使用滚压工艺进行大量生产,并由Avestor、Bathium、Seeo等公司成功商业化生产。固态陶瓷电解质需要真空沉积,这项成本较高的技术在半导体工业中已普遍应用,并由 Infinite Power Solutions、Cymbet、Sakti3等公司成功商业化生产。然而,由于固态电解质具有较低的导电率和较差的电极-电解质界面,固态锂金属电池被限制在高温和微尺寸薄膜应用中,无法应用到主流消费电子产品中,并在电动汽车中取得了很有限的应用。
尽管无锂金属的锂离子电池持续占绝对优势,其本身却面临一个限制:能量密度。锂离子依靠嵌入负极如石墨或硅-碳合成负极,这两种负极均属于惰性负极。嵌入负极仅为锂离子提供主体结构,却对能量存储毫无贡献,被认为是“负重”。这限制了锂离子的能量密度。另一方面,锂金属则没有类似问题,因为锂金属没有不相容的主体结构,而是纯粹由锂离子组成。
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