燕山大学Jianyu Huang(共同通讯)、Liqiang Zhang(共同通讯)和湘潭大学Qiao Huang(共同通讯)合作,以“Electro-chemo-mechanics of lithium in solid state lithium metal batteries”为题,在Energy Environ. Sci.期刊上发表最新综述论文,从电化学力学的角度总结了固态锂金属电池中的问题,并为未来的发展方向指明了道路。
1. 前言锂是周期表中最轻的金属,密度为0.534 g cm-3、比水还轻(密度1 g cm-3);是一种柔软的银白色碱金属;与水反应性很强,极易燃烧,因此必须储存在矿物油中。图1给出了锂和锂基电池的历史和年表的简要概述。
图1 锂和锂基电池的历史和年表 锂及其化合物有多种工业用途,如航空航天领域中高强度轻质的镁锂合金和铝锂合金。在锂的所有应用中,最重要的是锂离子电池和锂金属电池。锂的比容量最高(3860 Ah g-1且化学势最低(-3.05 V vs. SHE),所以锂是一种有前途的负极材料。在20世纪70年代,许多主要的锂金属电池系统被开发用于军事、医疗和消费电子应用。但锂枝晶等导致的安全问题,使得锂金属电池未能成功商业化。锂金属电池的安全问题促使研究人员寻找更安全的电池系统,锂离子电池的发明满足了这一要求。在锂离子电池中,锂负极被锂离子嵌入碳质材料代替。1981年,Goodenough首次提出使用层状LiCoO2作为层间正极材料。Yoshino以石油焦热处理合成的碳质材料为负极材料,Goodenough提出的LiCoO2为正极材料,两者均为插层型电极材料,以溶解在碳酸丙烯酯中的LiClO4为电解质,构建了锂离子电池。在锂离子电池运行期间,Li+在负极和正极之间来回穿梭,因此,它被称为“摇椅”电池。相比于锂金属电池,锂离子电池安全性提高是以牺牲能量密度为代价的。因此,对于要求苛刻的应用,如电网储能和电动汽车,当前锂离子电池的能量密度不能满足不断增长的需求。使用非水电解质的锂离子电池能量密度已经达到极限,进一步增加能量密度会引起很大的安全问题,因为有机液体电解质高度易燃。事实上,自从电动汽车问世以来,已经发生了许多火灾事故。显然,对于车辆电气化,迫切需要比当前锂离子电池技术更安全的储能系统。使用不可燃固体电解质的固态锂金属电池,被认为比基于液体电解质的锂离子电池更安全。通过仔细选择固体电解质的组成,固体电解质被认为比传统的液体电解质具有更宽的电化学稳定性窗口。与锂配对,固态锂金属电池可以比锂离子电池提供更高的能量密度。关于固态锂金属电池中枝晶生长机制的一个普遍解释是:锂通过固态电解质机械渗透。如图2a所示,类似于基于液体电解质的锂金属电池中的枝晶生长,固态电解质表面中的裂纹或空隙是锂优先成核的位点。
Electro-chemo-mechanics of lithium in solid state lithium metal batteries. (Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D0EE02525A)原文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/EE/D0EE02525A#!divAbstract