鋰電池負(fù)極表面研究及電解液改性的介紹

　　早在索尼推出首款商用鋰離子電池之前采用金屬鋰負(fù)極的鋰電池已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，但是金屬鋰負(fù)極在充電的過程中存在鋰枝晶的問題，鋰枝晶會(huì)引起兩方面的問題：1）鋰枝晶生長(zhǎng)到一定的程度后發(fā)生斷裂成為死鋰，導(dǎo)致電池容量衰減；2）鋰枝晶不斷生長(zhǎng)，最終會(huì)刺穿隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極短路，引發(fā)熱失控。鑒于以上原因，早期的金屬鋰電池都是作為一次電池使用，雖然其比能量很高，但是由于成本高昂，導(dǎo)致其應(yīng)用領(lǐng)域受限，只能應(yīng)用在一些高端領(lǐng)域。

　　隨著人們對(duì)鋰離子電池能量密度的要求不斷提高，現(xiàn)有的石墨/過渡金屬氧化物體系已經(jīng)難以滿足超高比能量的要求，于是金屬鋰負(fù)極由開始進(jìn)入人們的視野。要采用金屬鋰負(fù)極首先要解決的就是鋰枝晶的問題，傳統(tǒng)的固體電解質(zhì)很難在機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率兩個(gè)方面都滿足金屬鋰電池的要求，好在人們已經(jīng)尋找到了克服鋰枝晶的有效方法，為金屬鋰負(fù)極的應(yīng)用鋪平了道路。近日，來自法國巴黎的A. Mauger等人在Journal of Power Source雜志上發(fā)表文章，全面回顧了金屬鋰負(fù)極的研究成果。

　　1. 金屬鋰負(fù)極表面研究

　　1.1提高金屬鋰負(fù)極的活性面積

　　研究顯示降低金屬鋰表面的電流密度可以顯著的抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，為了提高金屬鋰負(fù)極的比表面積，降低電流密度，人們嘗試將金屬鋰制備成為粉末，但是金屬鋰粉不但昂貴，而且十分危險(xiǎn)，因此該方法并不適用。另外一種方法是微針表面改性法，利用裝由微針的滾輪，可以在金屬鋰負(fù)極的表面產(chǎn)生凹坑，研究顯示這種方法可以顯著的降低電池的阻抗和極化。

　　1.2優(yōu)化Li-電解液界面機(jī)械特性

　　為了抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，固態(tài)電解質(zhì)的剪切模量需要達(dá)到6GPa，聚合物電解質(zhì)的剪切模量通?？梢赃_(dá)到105Pa，能夠長(zhǎng)期抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，防止正負(fù)極短路。

　　1.3金屬鋰表面保護(hù)

　　在金屬鋰負(fù)極的表面加上一層無機(jī)或有機(jī)人造SEI膜層，不僅能夠使得Li+沉積的更加均勻，還能在Li+沉積時(shí)產(chǎn)生必要的應(yīng)力，防止鋰枝晶的產(chǎn)生。

　　另外一種行之有效的辦法是在電解液種添加少量的還原電勢(shì)稍低于Li+的Cs+和Rb+，研究顯示在Cs+和Rb+濃度《0.1mol/L時(shí)，當(dāng)局部形成Li枝晶時(shí)，由于較高的電流密度，會(huì)吸引Cs+和Rb+，從而在枝晶的表面形成一層帶有正電荷的離子層，從而對(duì)Li+形成排斥，促使Li+到其他區(qū)域沉積，從而阻止鋰枝晶的生長(zhǎng)。

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　　2.電解液改性