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崔屹课题组最新EER perspective:金属锂负极材料设计:界面与载体

已有 444 次阅读 2019-11-15 14:24 |系统分类:科研笔记

2018年,纳米材料科学家,斯坦福大学崔屹教授、北京大学潘锋教授和美国阿贡国家实验室Dr. Khalil Amine联合作为通信作者的关于对高性能可充电锂离子电池的负极材料的综述在EER出版后,受到相关领域的广泛关注和热议,截至目前(2019年11月11日)该文的下载量为1.3万,引用量为69次(其中SCI来源引用率为86%),处于EER引用下载量的榜首。

趁热打铁,崔教授在 Electrochemical Energy Reviews期刊发表题为“Lithium metal anode materials design: interphase and host”的观点论文,前瞻性地论述了金属锂负极材料的研发现状和展望。文章将发表于Electrochemical Energy Reviews期刊2019年第2卷第4期,文章类型为Perspective。这是崔教授课题组在EER发表的第二篇论文,也是EER创刊至今出版的第一篇Perspective。

文章题目:Lithium metal anode materials design: interphase and host

作者:Hansen Wang, Yayuan Liu, Yuzhang Li, Yi Cui*

关键词:Lithium metal anode; Interphase; Host; Electrolyte; Cryo-EM

引用信息:Wang, H., Liu, Y., Li, Y., Cui, Y. Electrochem. Energ. Rev. (2019). https://doi.org/10.1007/s41918-019-00054-2

                                                   微信图片_20191115142639.jpg

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前言

极低的电极电位与超高的比容量使得金属锂成为高容量电池的理想负极材料。然而它的商业化应用极大地受限于欠佳的循环性能。两个关键原因是金属锂负极容量迅速衰减的罪魁祸首。其一,金属锂与电解液会自发反应形成化学与机械性能稳定性不足的固态电解质界面膜(SEI),在不断地循环过程中SEI的破损和修复会不可逆的消耗大量的活性锂;其二,与锂离子电池负极(石墨)相比,金属锂在循环过程中的体积变化明显增大,这会进一步加剧SEI破裂和容量损失。
近些年,人们设计各种新型的材料来针对性的解决这两点问题。一方面,通过人工干预SEI膜的形成来提高其质量从而更有效的保护金属锂;另一方面,我们提出人造金属锂载体的概念,合成一系列复合结构金属锂负极抑制循环过程中的体积变化,提高金属锂负极性能。
本文首先归纳近期金属锂界面与载体的材料设计不同思路,然后总结金属锂负极仍然面对的众多挑战,最后提出未来进一步提高其循环性能的可能思路。

内容简介

一、    金属锂界面材料设计

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1. 电解液添加剂改性的SEI膜

通过改良电解液配方,使得金属锂与电解液自发形成性能更加优异的SEI膜实现对金属锂负极的保护。常用的电解液添加剂包括硝酸锂,多硫化锂,氟代碳酸乙烯酯,卤化盐等。
2. 人造SEI膜

人造SEI是在金属锂与电解液接触之前就预先在其表面通过化学或物理方法处理形成的具有特定优异性能的膜材料。人造SEI膜主要可以分为无机(无定形碳,氮化硼,石墨烯,氮化锂等),有机(锂离子置换的Nafion膜等),以及有机无机复合三类。

二、金属锂载体材料设计

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1. 预存锂的复合锂负极

金属锂的熔融灌注通常被用来合成预存锂的复合锂负极。常用的载体材料有层状还原氧化石墨烯,聚合物纤维网络,多孔陶瓷结构等。
2. 不含锂的锂负极载体
另一种思路是预先合成不含锂的载体材料,通过电化学沉积的方式使金属锂进入载体材料的内部实现对其保护。经典的结构有嵌有金纳米颗粒的无定形碳球与石墨烯笼,铜纤维与碳纳米管网络等。

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3.挑战与展望

界面与载体材料设计可以提高金属锂负极的循环性能,但距离商业化标准还很遥远。这主要是这两种方法各自都存在一定缺陷。目前提出的界面材料并不能在长循环中稳定的保护金属锂。无机材料如往往过脆因而在循环中破碎而丧失保护,有机材料往往不能完全阻隔金属锂与电解液的接触。而各种载体材料可能会增加锂与电解液接触的面积,加剧腐蚀反应,从而削弱体积变化减小带来的优势。因此,目前界面与载体材料设计的工作依然很难实现超过98.5%的库伦效率。基于此,我们认为未来可能的解决手段有以下几点:
1. 将界面与载体材料设计二者结合。载体材料提供稳定的负极体积与结构,同时将孔隙中的金属锂用性能更加优异的界面材料保护起来,结合二者优势,进一步提升循环性能。
2. 电解液优化。目前工作中往往使用对金属锂腐蚀性很强的商用锂离子电池电解液。通过设计特定分子结构,如各种氟代醚类分子,可以显著提高金属锂在电解液中的稳定性。
3. 纳米结构表征。通过冷冻电镜手段观察不同人造SEI与电解液下金属锂的界面结构组成,从而总结出对金属锂循环最优的界面结构,有目的性的优化金属锂负极。

作者简介

本文通讯作者为斯坦福大学材料系崔屹教授,第一作者为博士生王瀚森。

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