鋰金屬
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-23
鋰金屬的視頻教程
動力鋰離子電池包熱管理及熱失控分析 --CONVERGE計算方案【微信公眾號：艾迪捷】
鋰離子和鋰金屬電池對溫度較為敏感，在溫度過高或故障狀態下極易發生熱失控，從而導致電池單元壓力和溫度快速升高并伴隨可燃氣體的釋放。可燃氣體通常會被電池的高溫點燃而產生火災，可燃氣體的累積和潛在爆炸都是值得關心的問題。CONVERGE作為新一代熱流體CFD分析工具，在電池組設計和評估階段提供了對電池組冷卻以及燃燒分析方面的仿真手段。
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鋰金屬的實例教程
Sepion總部位于加利福尼亞，專門為采用鋰金屬陽極和液體電解質的電池提供先進隔膜。該公司在此輪投資中共獲得1600萬美元，由Fine Structure Ventures領投，其他氣候技術投資者參投。Sepion將使用此筆資金加速實現鋰金屬電池的商業化，以用于遠程和低成本電動汽車。
（圖片來源：索爾維）
鋰金屬電池的能量密度很高，因此廣受電動汽車市場的歡迎。但由于枝晶生長，該電池很快就會失效，從而無法具有較長的生命周期。基于創新的聚合物隔膜，Sepion的技術可以阻止枝晶生長。
Sepion將當前鋰離子制造基礎和液體電解質優勢相結合，其技術可以更好地被采用。作為鋰離子電解質添加劑方面的領導者，索爾維可對Sepion核心技術實現專業知識的互補，索爾維增長計劃總裁Mike Finelli表示：“這正是我們電池平臺的使命，通過向Sepion投資，我們將加速實現更安全、更高性能和更可持續的電池。”
早前，Sepion開發出一種納米多孔聚合物膜，可提高鋰金屬負極的性能，有望使EV續航里程增加40%，成本降低20%，并提高安全性。
Sepion的當前產品是由膜和鋰金屬陽極組成的鋰電極子組件（LESA），旨在與現有鋰離子制造基礎設施集成，從而降低市場采用障礙。
上述集成可通過混合鋰金屬電池設計實現，其中由Sepion隔膜保護的固體鋰金屬陽極與傳統金屬氧化物陰極和液體電解質配對。因此只需切換至Sepion的LESA組件和單元設計，就可以將現有超級工廠（Gigafactory）升級為1.4倍大。
展開 相關成果以《摻雜碳材料親鋰性化學誘導鋰金屬均勻形核》（Lithiophilicity chemistry of heteroatom-doped carbon to guide uniform lithium nucleation in lithium metal anodes）為題，發表于《科學》（Science）雜志子刊《科學進展》（Science Advances）上。
在具有不同親鋰性的骨架材料上金屬鋰形核與生長情況示意圖。（a）使用傳統的親鋰性較差的納米碳骨架材料，金屬鋰隨機形核并生長，最終發展為金屬鋰枝晶。（b）使用具有超高親鋰性的卟啉有機骨架材料，金屬鋰優勢形核并數量增多，最終實現金屬鋰的均勻沉積并抑制金屬鋰枝晶的產生。
為了在鋰金屬電池中調控金屬鋰的均勻沉積并抑制鋰枝晶的形成，該研究團隊設計了一種基于卟啉的有機骨架材料。卟啉有機骨架材料是一種由卟啉單元通過共價鍵連接成的二維層狀聚合物，具有相對明確的化學結構，可以實現親鋰位點的精準構筑與均勻分布。規則排列的卟啉結構單元由于其本征的極性與大共軛結構，表現出超高的親鋰性，在電化學條件下可以明顯的降低金屬鋰的形核過電勢并誘導金屬鋰均勻形核與沉積。在金屬鋰初期形核后，由于卟啉結構單元比金屬鋰核具有更高的親鋰能力，使得在后續的沉積過程中金屬鋰優先沉積到卟啉有機骨架表面而非金屬鋰核上，表現出鋰核數量的增多，從而實現了金屬鋰的均勻形核并有效的抑制了金屬鋰枝晶的形成。
展開 剝離過程中鋰的極化行為
本文的機理分析清晰地指出了鋰負極進一步優化的若干可能策略，包括最小化界面空隙，提高SEI層的離子導電性，改善鋰負極的制造工藝以減少非均一性等。
點評
馬里蘭大學莫一非教授向知社介紹：
實現可循環的鋰金屬電極一直被認為是鋰電池的圣杯，也是實現下一代高能量密度充電電池的關鍵。如何有效的沉積鋰金屬而不導致鋰枝晶的生長是一個十分重要而又懸而未決的問題。盡管文獻中報道了許多的實驗嘗試，但鋰金屬沉積和剝離的機理仍不清楚。
崔屹老師這組工作系統表征了不同的電解液以及各個因素對鋰金屬沉積和剝離的影響。Shi（2017）發現在不同條件下沉積的鋰金屬有著顯著不同的晶向和織構，會對沉積的鋰金屬形貌以及電化學性能有很大影響。這個發現揭示了鋰金屬的原子結構與形貌性能之間存在的關聯，對進一步理解鋰金屬沉積的機理以及最終實現可控的鋰金屬沉積有重要的意義。而Shi（2018）進一步揭示了鋰金屬通過固態電解質膜（SEI）的剝離機制，指出了SEI膜的結構與性質對于鋰金屬剝離的重要影響。這個發現對通過優化SEI來提高鋰金屬電極性能有重要的啟示。
這兩篇文章對于理解鋰金屬沉積和剝離的機理和進一步的鋰金屬電極研究有十分積極的意義和啟發。尤其值得借鑒學習的是在電化學測試的基礎上結合系統仔細的表征工作來提升對機制的理解。這組工作也為進一步通過理論計算揭示鋰金屬沉積剝離的原子級尺度機制提供了重要的實驗參考。
來源：知社學術圈
展開 負極氧化膜一直被用來保護金屬的表面，例如鋁、鎂或鈦。負極氧化膜的類型取決于幾個因素，其中最重要的是所選液態電解質的性質，在負極氧化過程中，金屬表面形成的隔離型膜必須不溶于液態電解質。然而，對于鋰金屬，由于其部分可溶于液態電解質且剝離不均勻，很難獲得均勻的負極氧化膜。即使使用含鋰合金，仍然存在鋰溶解的問題。目前，無論是在液態電解質中還是在固態電解質中，在鋰金屬表面形成負極氧化膜的研究還未見報道。
作者對鋰金屬固態負極氧化的探索，為了避免鋰表面負極氧化膜在液態電解質中的溶解，嘗試將鋰金屬與硅片支撐的超薄非晶固體Al2O3層接觸，并對鋰金屬施加負極電壓。當負極電流施加到鋰金屬側時，鋰金屬中的Li+與界面處非晶態Al2O3薄膜的OH?/O2?/R?/RO?（R指烷基鏈）相遇，發生原位反應在鋰金屬表面形成保護膜。通過這種方法，我們成功地在鋰金屬表面獲得了高質量的原位負極氧化保護膜，首次在實驗上實現了金屬鋰的負極氧化，獲得了優良的原位保護膜。
展開 隨著科技爆炸式發展，人們對儲能有了更高的需求，商業化的石墨負極理論容量低，已然限制了鋰離子電池體系的能量密度提升，無法滿足現代社會對高比能電池的需求。鋰金屬二次電池因其比能量高，成為下一代儲能電池的熱門選擇。然而，鋰金屬電池中幾乎所有組件都面臨著實際挑戰，主要集中在鋰金屬負極上，包括沉積不均勻，枝晶生長、體積膨脹大和SEI膜不穩定等，嚴重的損害了電池的安全性及循環壽命，限制著鋰金屬電池的商業應用。傳統鋰金屬電池制造技術在控制組件的幾何形狀和結構方面存在一些局限性，限制來電池的性能。3D打印作為一種新型制造技術，它可以無需依賴任何模板精確控制從微觀到宏觀的形狀與結構，從而提高電池的能量密度和功率密度。
近日，中南大學材料科學與工程潘安強教授圍繞“3D打印鋰金屬二次電池”主題，在國際著名期刊Energy Storage Materials上發表了題為“3D printing for rechargeable lithium metal batteries”的綜述文章，周雙博士為論文第一作者。文章結合鋰金屬二次電池所面臨困境以及3D打印鋰金屬電池的獨特優勢，總結了目前具有代表性的3D打印技術，回顧了3D打印技術在鋰金屬電池各組件的應用進展并對3D打印鋰金屬二次電池的設計原理和實際挑戰進行了總結與展望。
3D打印二次鋰電池優勢與展望
文章亮點
1. 從機理層面分析并總結了3D打印在鋰金屬電池各組分中的優勢。
2. 總結和對比了四種代表性的3D打印鋰金屬電池技術(IJP, DIW, FDM, SLA)的特點，建立了打印組分與打印技術之間相互聯系。
3. 總結3D打印技術在鋰金屬電池各組件的應用進展，并給出了3D打印組件需要實現的基本目標。
4. 匯總了3D打印鋰金屬電池目前面臨的挑戰和未來的發展方向。
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近日，寧德時代21C創新實驗室歐陽楚英、王瀚森團隊獨立完成的鋰金屬電池研究成果發表于國際頂級期刊《自然·納米技術》（即Nature Nanotechnology），研究團隊獨創了動態追蹤技術，讓電池全生命周期內活性鋰與電解液各成分的動態演化，從“黑箱”走向“白箱”，為鋰電行業提供了新的視角。
同時，固態電池可使用鋰金屬作為負極以提高電池的能量密度，目前液態鋰電池能量密度的天花板是300Wh/kg，而固態鋰電池的理論能量密度是700Wh/kg，是液態鋰電池的2倍以上，更適用于eVTOL。
而再生利用則是指通過相關物理及化學手段將退役動力電池中的鎳、鈷、鋰等金屬材料分離出來進行回收的處理模式。電池的梯次利用和再生利用不僅提高了資源的高效循環利用，也顯著降低了碳排放，為實現碳中和目標提供了有力支持。
電池碳足跡與全生命周期管理
電池碳足跡是指電池產品在其整個生命周期內，從原材料獲取、加工制造、使用直至最終回收過程中產生的碳排放總量。
正極材料主要由四種類型：
1.具有層狀結構的金屬氧化物，如鋰鈷氧化物(LiCoO2/LCO) ；
2.具有三維尖晶石結構的金屬，如鋰錳氧化物(LiMn2O4) ；
3.具有六方型結構，如鋰鎳錳鈷氧化物(LiNiMnCoO2/NCA)；
4.具有橄欖石結構的金屬，如磷酸鐵鋰(LiFePO4/LFP)
鋰電池負極材料通常為碳和非碳等類型。
紅色聚類出現的關鍵詞：thermal runaway(熱失控)、heat-transfer(傳熱)、optimization(極化)等；綠色聚類出現的關鍵詞：deposition(沉積)、Li metal anode(鋰金屬負極)、electrodeposition(電沉積)、solid electrolyte interface(固體電解質界面)等；藍色聚類出現的關鍵詞：Li-ion(鋰離子)、diffusion
金屬鋰晶枝
眾所周知，利用磁場進行Cu、Co、Ni、Ni-Mo和其他金屬的電沉積，可以明顯地細化金屬樹枝的微觀結構和方向。鋰金屬陽極的沉積/剝離過程與這些金屬的電沉積是一致的，而鋰枝晶的生長是由電極表面的鋰離子濃度不均勻引起的，因此磁場的MHD效應有助于解決這一問題。
Li+在磁場的作用下受到洛倫茲力的影響，促進其螺旋式移動并產生磁流體效應。
路透社消息稱，今年8月份埃克森美孚分別與全球最大鋰生產商雅保公司（Albemarle），特斯拉、大眾汽車、福特汽車等汽車制造商，以及SK On和三星SDI等全球知名電池制造商等涉及鋰業務的三類企業，就鋰金屬供應進行業務對接與洽談。
石墨陽極表面的金屬鋰沉積（也稱為鍍鋰）是最有害的降解機制之一，它會阻止電動汽車以與內燃機汽車加油相媲美的充電速度，特別是在高能量密度電極中由緩慢的質量傳輸引起的極化占主導地位。電鍍消耗可逆鋰，減少陽極孔隙率和反應界面面積、枝晶形成和生長，這會導致內部短路。因此，改進對與電極微結構相關的電鍍傾向的機械理解、充電狀態(SOC)和充電速度對于先進材料和快速充電協議的設計和優化至關重要。
如圖12(a)所示，低溫循環老化電池在50~120℃溫度區間里出現了新的產熱峰，主要由負極析出的金屬鋰與電解液的反應引起。低溫循環老化電池在50~120℃溫度區間的產熱速率隨著SOH的降低而上升。而對于SOH為85%和80%的電池，熱失控觸發溫度T2也從新鮮電池的213℃降低到180℃，電池的熱穩定性急劇下降。
由于幾乎所有 SE 的還原電位都高于鋰金屬電位，因此界面副反應不可避免，它們與鋰金屬的界面屬于后兩種類型。
圖 10. a) SE 與金屬鋰之間的三種界面。b) LSPS/Li 和 LPSCl/Li 界面整體行為示意圖。c) LSPS SE 選定截面放大視圖的 SX-CT 表征結果。
