中國(guó)粉體網(wǎng)訊 9月27-28日，由中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)能源顆粒材料專委會(huì)，中國(guó)粉體網(wǎng)共同舉辦的“第二屆能源顆粒材料制備及應(yīng)用技術(shù)高峰論壇”將在南京隆重召開。
金屬鋰負(fù)極材料作為能源顆粒材料重要的分支，一直是新能源領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，為此我們邀請(qǐng)到清華大學(xué)張強(qiáng)教授為大家?guī)砭蕡?bào)告，歡迎行業(yè)朋友前來交流探討！
鋰離子電池負(fù)極材料中金屬鋰負(fù)極由于具有高的比容量（3861mAh/g）、最低的電化學(xué)勢(shì)（-3.04V）、較小的密度（0.534g/cm3），因而是最具有前景的高能鋰離子電池負(fù)極材料，更是新興產(chǎn)業(yè)的最佳選擇。
以金屬鋰為負(fù)極的鋰金屬電池，包括鋰硫電池、鋰氧電池和鋰氧化物電池，表現(xiàn)出了極高的理論能量密度：
目前限制金屬鋰在高能電池中應(yīng)用的主要問題是死鋰和鋰枝晶生長(zhǎng)，其會(huì)導(dǎo)致庫(kù)倫效率低、循環(huán)壽命短和安全性能差等嚴(yán)重問題。雖然至今還沒有任何一種模型能夠完整地解釋鋰枝晶的形成原因，但是不妨礙對(duì)抑制枝晶生長(zhǎng)方法的探索。
抑制枝晶生長(zhǎng)的策略
1、電解液修飾
為了正負(fù)極之間的離子傳輸，必須在正負(fù)極之間添加一層電解質(zhì)層。然而，根據(jù)前線軌道理論，金屬鋰與大部分的電解液都不能穩(wěn)定存在，在初始的鈍化過程之后，電解液與金屬鋰的反應(yīng)產(chǎn)物可以穩(wěn)定地保護(hù)在負(fù)極表面而阻止進(jìn)一步反應(yīng)的發(fā)生。由于電解液的修飾不需要大幅度地更改電極和電池制造工藝，在經(jīng)濟(jì)上可行性較高。因此，大量的研究工作都針對(duì)電解液開展，以尋找最佳的電解液組成。
2、高鹽濃度電解液
在鋰離子電池的研究中1.0M的電解液鹽是最佳的濃度，擁有最佳的離子導(dǎo)率和黏度。但是在以金屬鋰為負(fù)極的鋰硫和鋰空氣電池中高鹽濃度電解液表現(xiàn)出了較好的性能，有可能重新定義金屬鋰體系下的電解液鹽濃度。高鹽濃度電解液經(jīng)常是指鹽濃度超過2M的電解液體系。此類電解液的溶劑大部分被鋰鹽溶劑化，自由存在的溶劑很少，表現(xiàn)出一定的離子液體性質(zhì)和其他非常規(guī)的優(yōu)異性能。
3、納米化電解液
根據(jù)空間電荷理論，陰離子在負(fù)極表面的濃度變化是帶來負(fù)極不穩(wěn)定的重要因素。與高鹽濃度電解液類似，納米電解液也表現(xiàn)出了準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的性質(zhì)。這兩種電解液都是處于液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)過渡狀態(tài)的電解液，都表現(xiàn)出了優(yōu)異的抑制枝晶生長(zhǎng)的效果，具有提高鋰金屬電池循環(huán)壽命的潛力。和高鹽濃度電解液不同的是，納米化電解液的制備過程相對(duì)比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用時(shí)的材料成本升高。如何簡(jiǎn)易獲取此類高效的電解液系統(tǒng)將是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
4、固態(tài)電解質(zhì)
液態(tài)電解質(zhì)存在較多的安全隱患，比如泄漏、易燃以及較差的化學(xué)穩(wěn)定性等。用固態(tài)電解質(zhì)可以改善上述問題，而且固態(tài)電解質(zhì)擁有較高的機(jī)械模量，可以較好地起到抑制枝晶生長(zhǎng)的作用。目前固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用的最大障礙是離子導(dǎo)率較低，還要考慮其對(duì)鋰的穩(wěn)定性以及固態(tài)電解質(zhì)在空氣中的穩(wěn)定性。
5、結(jié)構(gòu)化負(fù)極
目前商用的負(fù)極材料是將金屬鋰嵌入石墨的層間，成功解決了金屬鋰負(fù)極本征的枝晶和體積膨脹的問題。同理，如果將金屬鋰沉積到其他骨架的空隙內(nèi)部，是否也有望解決金屬鋰的循環(huán)性差的問題。當(dāng)金屬鋰存在一個(gè)骨架時(shí)，不僅可以較好地抑制枝晶的生長(zhǎng)，還能夠緩解在充放電過程中的體積膨脹問題。綜上，通過金屬鋰中引入骨架時(shí)實(shí)現(xiàn)金屬鋰的安全運(yùn)轉(zhuǎn)的新途徑。
在當(dāng)代理論、表征與新材料科學(xué)迅速發(fā)展的大環(huán)境下，鋰金屬負(fù)極的研究取得重要突破。鋰金屬作為高比能電池核心材料得到了國(guó)際科學(xué)與工程界的廣泛關(guān)注。9月27-28日，由中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)能源顆粒材料專委會(huì)，中國(guó)粉體網(wǎng)共同舉辦的“第二屆能源顆粒材料制備及應(yīng)用技術(shù)高峰論壇”上，清華大學(xué)的張強(qiáng)教授將做《復(fù)合金屬鋰負(fù)極》的報(bào)告。為我們?cè)敿?xì)介紹如何抑制枝晶生長(zhǎng)，讓金屬鋰負(fù)極材料可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。
張強(qiáng)教授簡(jiǎn)介
1984年出生，黑龍江人，清華大學(xué)教授，獲得國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才（2015年）、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)“牛頓高級(jí)學(xué)者基金”等榮譽(yù)。2018年8月，入選“2018年度國(guó)家杰出青年科學(xué)基金”。
