中國(guó)粉體網(wǎng)訊  電動(dòng)汽車(chē)和新型電子設(shè)備對(duì)鋰電池的性能提出更高的要求。基于鋰負(fù)極的金屬鋰電池是達(dá)到500Wh/kg能量密度的最可能候選者。因此，開(kāi)發(fā)穩(wěn)定高效的金屬鋰負(fù)極具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

鋰金屬電池的發(fā)展

鋰金屬電池的組成部分主要包括金屬鋰負(fù)極，隔膜，電解液和正極。

1912年，鋰金屬電池被美國(guó)化學(xué)家Gilbert Newton Lewis首次提出。

隨后經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，到20世紀(jì)70年代，美國(guó)埃克森美孚公司的Stanley Whittingham采用TiS2作為正極，金屬鋰為負(fù)極，研制出了第一個(gè)實(shí)際的鋰金屬電池。

緊接著，到20世紀(jì)80年代，加拿大Moli Energy公司選用MoS2作為正極與金屬鋰負(fù)極組裝成了世界第一款商業(yè)化的鋰金屬電池。

但這些金屬電池在使用過(guò)程中會(huì)有大量的鋰枝晶形成，從而使得電池的安全性和可實(shí)用性極大的降低。隨之，陸陸續(xù)續(xù)發(fā)生了多起鋰金屬電池爆炸事件。

1982年Yazami教授首次將石墨應(yīng)用于固體聚合物鋰離子電池負(fù)極，表明石墨炭材料是可以實(shí)現(xiàn)可逆儲(chǔ)鋰的。

1991年，日本Sony公司率先將石油焦作為負(fù)極應(yīng)用于商業(yè)化鋰離子電池中，開(kāi)創(chuàng)了以碳為負(fù)極材料的體系，鋰離子電池就此問(wèn)世。

1993年，日本大阪公司成功將中間相炭微球（MCMB）作為負(fù)極應(yīng)用于鋰離子電池中。

石墨負(fù)極被作為傳統(tǒng)理離子電池的最佳選擇，并一直沿用至今。

《中國(guó)制造2025》明確規(guī)定，動(dòng)力電池能量密度規(guī)劃為：2020年-300Wh/kg；2025年-400Wh/kg；2030年-500Wh/kg。

鋰負(fù)極的金屬鋰電池是達(dá)到500Wh/kg能量密度的最可能候選者，預(yù)計(jì)在未來(lái)市場(chǎng)鋰金屬電池將占據(jù)鋰電池市場(chǎng)的大部分份額，成為行業(yè)的主流產(chǎn)品。

鋰金屬電池的優(yōu)勢(shì)

目前商業(yè)化的鋰離子電池普遍使用石墨作為負(fù)極，其理論比容量?jī)H為372 mAh g-1已難以滿足電動(dòng)車(chē)與便攜電子設(shè)備快速發(fā)展的需求，因此需要開(kāi)發(fā)容量更高 的材料來(lái)代替石墨。現(xiàn)有的負(fù)極材料中，金屬鋰具有最高比容量（~3860 mAh g-1）、 低密度（~0.59g cm-3）和最低氧化還原電位（-3.04V vs .標(biāo)準(zhǔn)氫電極）等優(yōu)點(diǎn)。

如采用金屬鋰負(fù)極替換石墨負(fù)極，鋰金屬-LMO電池可以達(dá)到440 Wh kg-1的比能量。

金屬鋰負(fù)極不僅可極大地提高當(dāng)前鋰離子電池的能量密度，還能促進(jìn)高能量密度的Li-S（~650Wh kg-1）及Li-O2（~950Wh kg-1）等電池體系的發(fā)展。

從體積能量密度角度來(lái)看，Li-O2電池的體積能量密度（~1100Wh L-1）可接近于石油（~1250Wh L-1）。

鋰金屬電池存在的問(wèn)題

金屬枝晶是電沉積過(guò)程中的一種現(xiàn)象，鋰在多次電沉積過(guò)程中傾向于樹(shù)枝狀生長(zhǎng)。除了在溶解過(guò)程中枝晶與電極分離會(huì)降低充放電效率外，嚴(yán)重時(shí)枝晶會(huì)刺穿隔膜并導(dǎo)致電極短路，產(chǎn)生嚴(yán)重安全問(wèn)題，使電池存在起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

Li是一種活潑金屬，會(huì)與電解液發(fā)生不可逆的連續(xù)反應(yīng)形成較厚的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜，增加電解液的消耗且增大電池的內(nèi)阻。

Li金屬負(fù)極在充放電過(guò)程中的體積膨脹是另一個(gè)問(wèn)題，除破壞極片整體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電池失效外，體積的大幅變化會(huì)使 SEI 斷裂，加劇Li枝晶與死Li的產(chǎn)生。

同時(shí)，SEI 膜的反復(fù)斷裂與形成也導(dǎo)致電解液的持續(xù)消耗。

這些問(wèn)題在高電流與高面容量的條件下會(huì)更加顯著。

解決方案

利用三維多孔結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)鋰電鍍/剝離過(guò)程中無(wú)限的體積變化被認(rèn)為是穩(wěn)定金屬鋰負(fù)極的重要策略，一些研究成果表明，構(gòu)建三維多孔集流體可以有效抑制枝晶的生成以及避免過(guò)多電解液的消耗。三維多孔集流體具有大的比表面積，這能降低電極表面的局部電流密度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰成核。三維多孔集流體中存在的大量空隙也可緩解鋰沉積時(shí)引起的體積膨脹。

針對(duì)各類負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)狀況，中國(guó)粉體網(wǎng)將于10月25-26日在東莞舉辦第二屆先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇。屆時(shí)，廣東工業(yè)大學(xué)“百人計(jì)劃”特聘教授施志聰將作題為《用于下一代金屬鋰電池的鋰復(fù)合負(fù)極技術(shù)》的報(bào)告。報(bào)告將介紹基于具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的親鋰納米改性的集流體的復(fù)合鋰電極的設(shè)計(jì)、制備、性能、反應(yīng)機(jī)理、表面保護(hù)及電池應(yīng)用。

專家簡(jiǎn)介：

施志聰，廣東工業(yè)大學(xué)“百人計(jì)劃”特聘教授，博士生導(dǎo)師，電池研究所所長(zhǎng)。擔(dān)任中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)固態(tài)離子學(xué)分會(huì)理事，中國(guó)化學(xué)與物理電源技術(shù)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員，中國(guó)儲(chǔ)能與動(dòng)力電池及其材料專業(yè)委員會(huì)委員。專注于鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、固態(tài)電池的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車(chē)”專項(xiàng)、廣東省科技廳產(chǎn)學(xué)研合作“新能源汽車(chē)”重大專項(xiàng)等項(xiàng)目20多項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文130多篇，獲得授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利28個(gè)，培養(yǎng)博士后和研究生50多人。

參考來(lái)源：

徐凌. 海膽狀 Cu/Cu3N 納米材料的制備及其在金屬鋰負(fù)極三維集流體中的應(yīng)用

劉天存. 三維自支撐親鋰集流體的構(gòu)建及用于金屬鋰負(fù)極性能研究

吳寶亮等. 石墨負(fù)極材料的發(fā)展歷史與研究進(jìn)展

《中國(guó)制造2025》

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡(jiǎn)）

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