固態(tài)鋰金屬電池（SLMB）
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-13
固態(tài)鋰金屬電池（SLMB）的實例教程
來源 | 高分子科學前沿
鋰(Li)金屬電極由于其超高的理論比容量(3860mAh g
-1)和最低的電化學電位(-3.040 V vs標準氫電極)，可以滿足下一代儲能系統(tǒng)的能量密度要求。然而，鋰金屬電池(LMB)的商業(yè)化有兩個嚴重的問題：不可控的鋰枝晶生長問題和不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)問題。(1)由于循環(huán)過程中負極側(cè)不均勻的鋰沉積，不可控的鋰枝晶生長會導致電池庫侖效率(CE)低、內(nèi)部短路甚至失效(圖示1a)。(2)鋰金屬與有機電解質(zhì)反應形成的本征SEI膜具有機械脆性，無法適應較大的體積變化。這種本征SEI層破裂后，暴露在外的金屬Li與有機電解質(zhì)之間繼續(xù)發(fā)生副反應，導致SEI更厚，電池循環(huán)穩(wěn)定性降低。為了解決上述問題，研究人員已經(jīng)嘗試了許多策略來穩(wěn)定鋰金屬電極，其中，構(gòu)建具有綜合柔韌性、高效離子導電通道和機械魯棒性的保護層是實現(xiàn)穩(wěn)定、無枝晶鋰金屬電極的有效途徑。此外，開發(fā)具有上述特性的固態(tài)電解質(zhì)可以消除液態(tài)LMB固有的低安全性和低性能問題。
動態(tài)聚合物網(wǎng)絡具有獨特的適應性、自愈性和可回收性，近年來在能源相關應用中得到了廣泛關注。其自適應行為可以適應Li負極在循環(huán)過程中的體積變化。聚合物電解質(zhì)/保護層的自愈性可以自動修復機械損傷，恢復聚合物電解質(zhì)/保護層的功能，從而提高LMB的循環(huán)穩(wěn)定性。根據(jù)動態(tài)鍵的類型，動態(tài)聚合物網(wǎng)絡可分為動態(tài)物理網(wǎng)絡和動態(tài)共價網(wǎng)絡。后者，通常被稱為“類玻璃體”，在室溫下它們類似于傳統(tǒng)的熱固性材料，而由于可逆化學鍵的動態(tài)性質(zhì)，其在熱/光等外部刺激下具有延展性和可回收性。相比之下，動態(tài)共價網(wǎng)絡具有機械穩(wěn)定性和耐溶劑性的優(yōu)勢，在電池應用中，特別是作為保護層，至關重要。迄今為止，人們一直致力于開發(fā)基于動態(tài)共價網(wǎng)絡的固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)，以提高其在LMB中的電化學性能。
展開 聚環(huán)氧乙烷型固態(tài)電解質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)是聚環(huán)氧乙烷鏈與鋰離子絡合，將鋰離子與反陰離子分離，這種結(jié)構(gòu)通過類似于液態(tài)電解質(zhì)的溶解機制支持聚環(huán)氧乙烷中鋰鹽的溶解，
因此，人們一直致力于提高聚環(huán)氧乙烷型固態(tài)電解質(zhì)的電導率并降低其工作溫度。
在此，為了解決聚環(huán)氧乙烷電解質(zhì)的低離子電導率問題，作者首次提出了一種獨特的混合準固態(tài)電解質(zhì)設計，用于高能量密度鋰金屬電池。混合設計包括硅離子凝膠與聚環(huán)氧乙烷鏈絡合以及Li6.5Mg0.05La3Zr1.6Ta0.4O12活性納米填料的分散，復合混合設計不僅產(chǎn)生高離子導電性，而且有效限制了鋰枝晶的生長。4V準固態(tài)鋰金屬電池由混合準固態(tài)電解質(zhì)、鋰金屬負極和NCM523正極構(gòu)成，其放電容量為124mAhg?1，以0.1C的電流密度在55℃的高溫下循環(huán)50周后，容量保持率為61.4%。
總之，作者報道了一種新型鋰電池準固態(tài)電解質(zhì)，其采用三種材料復合混合設計。混合準固態(tài)電解質(zhì)具有優(yōu)良的離子導電性能，在25℃時電導率為7.42×10?4 S cm?1，35℃時電導率為1.3×10?3 S cm?1，且電子電導率低，電化學穩(wěn)定窗口寬。同時，作者證明了復合混合準固態(tài)電解質(zhì)對鋰枝晶的生長有顯著抑制作用，準固態(tài)Li∥LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和Li∥LiFePO4電池采用了這種復合混合準固體電解質(zhì)。這項研究表明，聚合物、無機陶瓷導體和離子凝膠的集成為探索鋰金屬電池新型電解質(zhì)提供了一種選擇。
展開 與鋰離子電池不同，鋰金屬固態(tài)電池不需要使用笨重的電池管理系統(tǒng)，來維持耐久性或降低著火風險。減少電池管理系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，或完全不使用這種系統(tǒng)，將如何影響固態(tài)電池的性能和耐久性？
為了使鋰金屬與陶瓷電解質(zhì)保持恒定接觸，需要使用額外的器件，這是否會影響電池組性能？
密歇根大學的研究人員表示，為了推動鋰金屬電池發(fā)展，需要進行嚴格的測試和數(shù)據(jù)分析，并保證研究透明度。“在這種情況下，我們強調(diào)，必須使用一致的測試協(xié)議和數(shù)據(jù)分析方法，以汽車制造商和其他行業(yè)伙伴提出的實際輸入和設計標準為指導，進一步了解這些系統(tǒng)的機械性能。”
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展開 （SSEs）是實現(xiàn)高能量密度固態(tài)鋰電池的關鍵。
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鋰(Li)金屬電極由于其超高的理論比容量(3860mAh g
-1)和最低的電化學電位(-3.040 V vs標準氫電極)，可以滿足下一代儲能系統(tǒng)的能量密度要求。然而，鋰金屬電池(LMB)的商業(yè)化有兩個嚴重的問題：不可控的鋰枝晶生長問題和不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)問題。(1)由于循環(huán)過程中負極側(cè)不均勻的鋰沉積，不可控的鋰枝晶生長會導致電池庫侖效率
盡管液-固界面在科學領域是最基礎的概念，但由于現(xiàn)有工具在納米尺度上同時研究液相和固相方面存在缺陷，因此，描述這種精細的界面仍然不盡于人意。這將導致人們對電池系統(tǒng)中關鍵界面的結(jié)構(gòu)和化學的理解有很大的差距。
在此，來自美國斯坦福大學的Wah Chiu
液體電解質(zhì)（LE）不僅存在泄露和可燃性問題，而且在鋰金屬電池（LMB）充放電過程中存在枝晶鋰的生成和過熱現(xiàn)象，造成可怕的安全隱患。而由功能性的聚合物骨架材料和液體電解質(zhì)構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）擁有高的離子電導率，高的鋰離子遷移數(shù)，寬的電化學窗口和稀少的電解液泄露等優(yōu)勢，被廣泛深入地研究
蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，索爾維風險投資基金索爾維風投（Solvay Ventures）對電池初創(chuàng)公司Sepion進行投資。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(zhì)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(shù)投資者參投。Sepion將使用此筆資金加速實現(xiàn)鋰金屬電池的商業(yè)化
全固態(tài)鋰離子電池是下一代高能量密度和安全儲能技術(shù)的有力候選者。作為一種無電解液體系，它不存在傳統(tǒng)使用有機溶劑電解液的鋰離子電池的泄漏和產(chǎn)氣所產(chǎn)生的熱失控風險。因此，電池安全性的研究偏向使用固體電解質(zhì)。目前固態(tài)電解質(zhì)顯示出的電導率已經(jīng)接近并超過液態(tài)電解質(zhì)。如鋰超離子導體（LISICON），硫銀鍺礦型，石榴石型和鈉超離子導體（NASICON）型結(jié)構(gòu)。但是，以上固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展仍然面臨一個關鍵挑戰(zhàn)就是在
蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，廈門大學的研究團隊開發(fā)了一種新策略，可用于制造無枝晶鋰金屬電池，其基礎是利用預隧穿石墨層在石墨中形成夾層和層內(nèi)原子通道。所獲得的原子通道，能夠支持鋰快速自由地擴散，并具有增強動力學特性。
（圖片來源：greencarcongress）
以鋰作為儲能系統(tǒng)中的負極材料，
研究表明，作為鋰金屬負極的低成本替代材料，鈉金屬負極在高能量電池中的應用越來越受到關注。鈉金屬電池充/放電電流密度通常小于3mA/cm。隨著充放電倍率的增加而導致的容量減少具有動力學起源，當電流密度降低時可以恢復。盡管已經(jīng)為提高鈉金屬電極的可逆性和循環(huán)壽命進行了廣泛的研究，但它們的倍率性能，即高電流下鈉金屬的沉積/剝離，尚未得到充分探索。
【成果簡介】鑒于此，美國耶魯大學王海梁教授和賓夕法尼亞大學
目前，消費電子、電動汽車、儲能系統(tǒng)的發(fā)展迫切需要安全可靠、能量密度高、循環(huán)壽命長的可充電電池，然而由于有機液態(tài)電解質(zhì)的易燃性，傳統(tǒng)的鋰離子電池面臨著嚴重的安全問題，用固態(tài)電解質(zhì)取代有機液態(tài)電解質(zhì)可以從本質(zhì)上解決安全問題。此外，固態(tài)電解質(zhì)的使用將促成固態(tài)鋰金屬電池，其提供更高的能量密度，而且固態(tài)電解質(zhì)因為具有寬的電化學穩(wěn)定窗口，可以通過配對高電位正極材料來實現(xiàn)高能量密度電池。 探索具有優(yōu)異離子導電性
開發(fā)具有高離子電導率，寬電化學窗以及高機械強度的固態(tài)電解質(zhì)（SSEs）是實現(xiàn)高能量密度固態(tài)鋰電池的關鍵。共價有機框架（COFs）最近引起了相當廣泛的興趣，源于它們的高度可調(diào)分子結(jié)構(gòu)和理想的有序的離子遷移通道。 基于此，西湖大學徐宇曦研究員首次設計并合成了具有整體定向通道結(jié)構(gòu)的柔性耐高壓共價有機框架SSE薄膜，使匹配富鎳正極（NMC811）的固態(tài)鋰金屬電池成為可能。相關論文以題為“High-Volt
金屬鋰負極因其具有很高的理論容量和很低的電勢而引起研究者的廣泛關注，然而，鋰枝晶生長引起的嚴重安全問題一直困擾著鋰金屬電池的實際應用。 中山大學的吳丁財教授團隊提出了一種新型的超結(jié)構(gòu)單離子導電聚合物刷（CNF-g-PSSLi）作為人工固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜，以抑制鋰樹枝晶的生長。所獲得的CNF-g-PSSLi結(jié)合了納米纖維素堅固的主干納米結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的界面相容性、-SO3-引導的鋰離子的快速傳輸
