鋰離子電池的發(fā)展與金屬鋰負(fù)極的全面解讀

　　說(shuō)起鋰離子電池就不得不提起日本的索尼公司，在1992年日本索尼公司推出了全球首款以碳材料為負(fù)極，含鋰金屬氧化物為正極的商用鋰離子電池，這也標(biāo)志著一個(gè)全新儲(chǔ)能時(shí)代的到來(lái)，隨后經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，鋰離子電池的各項(xiàng)性能逐步提高，幾乎已經(jīng)占領(lǐng)了整個(gè)消費(fèi)電子市場(chǎng)。其實(shí)在索尼公司推出鋰離子電池之前，采用金屬鋰負(fù)極的鋰電池已經(jīng)經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的發(fā)展，但是受制于金屬鋰負(fù)極的安全性問(wèn)題，使得當(dāng)時(shí)的鋰電池只能作為一次電池使用，并且高昂的成本也極大的限制了鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域，因此在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)很難見(jiàn)到鋰電池的身影。

　　隨著索尼推出首款商業(yè)化鋰離子電池，鋰離子電池在與鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)中暫時(shí)占據(jù)了上風(fēng)，但是隨著人們對(duì)能量密度要求的不斷提高，鋰離子電池已經(jīng)很難滿足日益提高的比能量的需求，于是具有高比容量天然優(yōu)勢(shì)的金屬鋰負(fù)極上演了一場(chǎng)“王者歸來(lái)”大戲，今天我們就帶大家跟隨斯坦福大學(xué)的Dingchang Lin，Yayuan Liu和Yi Cui的腳步，一起對(duì)金屬鋰負(fù)極進(jìn)行一次全面而深刻的剖析。

　　金屬鋰的比容量為3860mAh/g，電化學(xué)勢(shì)為-3.04V（vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極），是一種非常理想的鋰電池負(fù)極材料。如上圖所示，目前鋰離子電池的比能量可達(dá)250Wh/kg，但是如果我們將鋰離子電池的負(fù)極更換為金屬鋰，那么我們就可以獲得440Wh/kg的比能量，而像Li-S和Li-空氣電池比能量則能夠達(dá)到650Wh/kg和950Wh/kg的比能量。要使用金屬鋰作為鋰離子電池的負(fù)極材料，我們還需要克服一下幾個(gè)難題：安全性和循環(huán)壽命。困擾金屬鋰負(fù)極的主要問(wèn)題主要是鋰枝晶的問(wèn)題，如下圖所示，在循環(huán)過(guò)程中，由于局部極化的因素，使得金屬鋰表面生長(zhǎng)鋰枝晶，當(dāng)鋰枝晶生長(zhǎng)到一定程度的時(shí)候就可能穿透隔膜，引發(fā)安全問(wèn)題，此外如果鋰枝晶發(fā)生斷裂，就會(huì)形成“死鋰”，造成電池容量損失，因此鋰枝晶是擋在金屬鋰負(fù)極應(yīng)用路上最大的障礙。