高能电池金属锂负极改性策略的研究进展-第2页-北极星储能网

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固态电解质可以有效阻止锂枝晶的生长和与电解液的副反应。这是一种最直接的通过物理屏障阻止枝晶蔓延的方法。全固态电池在高能量密度和安全性方面具有显著的优势，近年来成为国内外的研究热点。固态电解质需要具备高离子电导率、宽电化学窗口、对锂稳定、力学性能优以及可抑制锂枝晶等特性［23-24］。

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CHEN 等［25］利用仿生概念借鉴自然界中的蚁穴结构，成功设计了一种以SiO2为骨架的聚合物电解质（图4）。这种聚合物电解质不仅具有较高的离子传导率，而且能够在锂金属表面形成一层保护层，从而有效地抑制了锂枝晶的生长。该电解质在Li/LFP、Li/NCM 及Li/LTO 半电池测试中表现出优异的电化学性能，其中Li/LTO电池在1 000个循环以后，其容量保持率仍在99. 8 %以上。

如何对电解质进行合理的设计，在保证Li+传导的同时能够对锂枝晶进行有效的抑制，已逐渐成为锂金属电池的研究热点。

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1.3 设计新型结构的锂负极

锂枝晶产生的原因之一是锂表面不平整，电流密度分布不均匀，因而循环过程中产生锂枝晶。目前商业的Li+电池中，均使用片状金属锂箔作为对电极。研究者们合成出多种新型结构的锂电极，如锂粉末、泡沫锂和表面改性的锂箔，其多孔结构增大了表面积，使电流分布均匀，提供了更多的Li+沉积位置，降低了锂枝晶产生率。在相同电流密度充放电情况下，比表面积增大，单位面积的电流密度相应就会降低，枝晶形成速率就会降低［26-27］。

LI 等［28］巧妙地把锂箔和铜集流体一体性设计，制备出3D 结构的Li/Cu 集流体负极（图5），从而改善了锂金属负极电流分布不均匀的缺点。通过简单的机械加工把铜网嵌入锂金属中，形成Li/Cu 集流体负极。与未进行过处理的锂负极相比，Li/Cu 集流体负极的三维空间结构可以加快电荷转移速度和减小界面阻力；较大的比表面积，降低了局部的电流密度，使得电荷分布均匀，Li沉积时变得均匀从而降低了锂枝晶的生长速率；以Li/LTO半电池系统研究，在4 C倍率下，循环500次后容量为59. 5 mAh/g；而Li/Cu 集流体复合电极循环500 次后容量为87. 4 mAh/g。这些结果都表明3D Cu/Li 复合电极具有优异的倍率性能和高的循环稳定性。

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ANG 等［29］通过焦耳加热法合成出纳米银颗粒，然后均匀分布在碳纤维上，引导锂金属在三维碳骨架的沉积，有效地解决了锂金属负极的锂枝晶问题。纳米银颗粒作为晶种有效地降低了锂金属的成核过电位，在电化学测试中，基于上述法合成出的锂金属负极表现出较低的成核过电位（约为25 mV）和较好的循环稳定性。500次循环后，没有出现短路现象。此成果为以后设计锂金属电极提供了新的思路。

WANG等［30］通过在铜箔垂直微孔孔道中调节锂的沉积/溶解来得到稳定的柱状锂金属负极。并且系统分析了多孔铜集流体对电流密度分布的影响以及锂在不同尺寸的多孔铜集流体内的形貌变化。相比传统铜集流体，该研究设计的一体化锂金属负极具有较大的比表面积和孔体积，有效抑制了锂枝晶的生长。电化学测试结果表明，具有多孔铜集流体的锂负极所组装的LiFePO4/Li 全电池表现出优异的倍率性能和稳定的循环性能，200圈内平均库伦效率约98. 5％。

2 展望

金属锂负极作为高能电池的理想电极材料，基本要求是实现无锂枝晶的形成，因而必须要有良好的循环性。为了解决这些问题，需要对界面化学、锂沉积行为及其相互关系有深刻的理解。在过去的许多研究中，研究者们主要着眼于通过改善界面稳定性来达到目的。尽管近年来在锂负极保护的研究中取得了不错的进展，但在其实际应用之前还要更为深入的探索。从目前存在的问题来看，今后可从以下几个方面进行研究：① 开发原位表征工具。目前对于SEI 膜的形成机理、结构成分和作用机制尚不清楚。开发原位表征工具可使金属锂的电化学过程能够实现原位实时在线检测，对于理解锂枝晶的形成机理、结构特性将会有重要意义，也是将来实用化的关键［31］；② 其他界面工程。通过研究物质结构以及电子/离子性质之间的关系来设计新材料［32］；③ 固态电解质。聚合物电解质作为目前前沿科学，在抑制锂枝晶的生长和提高电池安全性上有很大潜力［33］。

目前这些研究策略大部分还只是存在于实验室理论验证阶段，应用于商业化电池中还需要攻克大量的工艺难题。总的来说，通过单一的策略来解决锂负极中存在的问题是不可能的，需要结合各种方法的优势才能最终使锂负极成为一种可行的技术［34］。纳米技术的发展为这些问题的解决提供了新的可能，而先进的测试技术则为材料的设计提供了十分有用的信息。金属锂负极的研究热度再次兴起，需要研究者在基础理论、材料设计和电池工程等方面投入更多的努力。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（21503093，51703081）；武汉市第四批黄鹤英才计划项目（08010001）；江汉大学武汉研究院开放项目（IWSH2016348）

文献来源：程琦，邓鹤鸣，兰倩，等. 高能电池金属锂负极改性策略的研究进展[J]. 江汉大学学报（自然科学版）, 2018, 46(3): 197-203.

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2018.03.001

12月19日·河北威县，京津冀氢能产业发展暨环境治理大会，免费参会，索取名额联系：

张经理：13191816562 任经理：18713515424

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原标题：高能电池金属锂负极改性策略的研究进展

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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