華中科大《Adv Mater》200°C以上，仍能正常運行的鋰金屬電池！

2020-10-18 材料科學與工程

導讀：有別於常見的純金屬鋰負極，本文利用Li-B合金作為骨架，填充金屬Li，製備了Li-B/Li合金電極。該電極在325℃的高溫下依舊可以保持其初始結構而沒有液態Li出現，大大提高了Li負極的熱耐受性，使得Li負極在高溫等極端環境中也可以使用。

金屬Li負極因為具有最高的理論容量（3860 mA h g-1）和最低的電勢（-3.04 V）而一直被視為是可充電鋰基電池的負極材料候選之一。但Li負極支晶生長、安全性等問題一直沒有很好的解決，嚴重製約了其發展。

近日，華中科技大學的孫永明教授和其團隊報導了Li-B合金改性Li負極，Li5B4獨特的3D互聯結構為合金提供了更高的穩定性。展示了Li5B4/Li複合材料在高溫鋰金屬電池中的應用前景。而且，這種負極還可以提高室溫下常規室溫鋰金屬電池的熱安全性。相關論文以題為「A Lithium Metal Anode Surviving Battery Cycling Above 200 °C」在Advance Materials上發表。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000952

從鋰電池研究初始，純金屬Li就是負極材料的候選者之一。但是，Li的安全性問題一直阻礙著其商業化應用。安全，穩定的石墨電極更是成為目前商業鋰電池的首選。近年來Li負極的安全性問題一直集中在阻止Li支晶的生長，但卻鮮有報導提高Li負極的熱耐受性。目前常見的Li負極高溫解決辦法是使用熔鹽Li鹽電解液和純Li負極，但這種電池體系反應活性高，且液態Li增加了封裝成本和安全隱患。因此，研究具有良好熱耐受性的金屬Li電極不但可以簡化高溫鋰金屬電池的封裝，還可以提高電池的熱安全性，對於Li負極的實際應用具有重要意義。
本文中，作者提出具有熱穩定性的Li負極必須具備（1）有較好的機械穩定性和熱穩定性導電骨架；（1）多孔框架結構；（3）骨架結構本省必須親Li三個條件。基於以上考慮，最終作者選擇Li-B/Li複合體系，其中金屬Li的比例佔整個電極的72%。實驗發現即使在高溫條件下，Li-B/Li複合電極依舊可以維持其自身固態結構，並表現出良好的電化學穩定性。DFT計算表明，Li-B/Li合金中Li5B4的3D骨架的高孔隙率有利於增強Li與Li5B4之間的毛細作用力，從而提高電極整體的熔點。此外，Li5B4骨架還可以提高其電極的導電性，
總結來說，作者選擇了Li-B/Li合金作為研究對象，探究了其在高溫下的電化學性能。Li5B4的3D骨架的高機械穩定性和熱穩定性在電極在高溫條件下良好性能起到了至關重要的作用。即使在超過200℃時，Li5B4骨架依舊可以憑藉毛細作用力而時金屬Li而不出現液化。Li-B/Li合金的這一發現可以很好的避免純Li所需的複雜封裝條件，減少了在高溫下液態Li流動造成的安全隱患，具備非常廣闊的應用潛力。（文：Today）

圖1 (a) Li5B4/Li的XRD圖譜；(b) Li5B4/Li的SEM俯視圖；(c)-(d) Li5B4/Li在10 mA cm-2的電流密度下脫Li後的SEM俯視圖和橫截面圖；(e) Li5B4/Li和純Li的脫鋰充放電曲線。
 

圖2 (a) Li5B4的晶體結構；(b)-(d) Li吸附的局部電荷密度差模擬；(c)-(d) TEM照片；(e) 不同溫度和毛細半徑下下液態Li的毛細現象高度； (f) 在300℃下毛細半徑與接觸角之間的關係
 

圖3 (a)-(b) 在不同溫度下Li5B4/Li和純Li的宏觀照片；(c) Li5B4/Li和純Li的DSC曲線；(d) 當溫度高於純Li熔點時液態Li在Li5B4骨架中的示意圖；(e) 在高溫下Li5B4/Li和純Li電極的狀態示意圖
 

圖4 (a) LLZTO固態電解質製造的Li5B4/Li||Li5B4/Li對稱電池的原理圖；(b) Li5B4/Li||Li5B4/Li電池在25℃和200℃時的阻抗圖譜；(c) Li5B4/Li電極第一次脫Li後的SEM圖片；(d) Li5B4/Li電極第一次嵌Li後的SEM圖片；(e) 在200℃時Li5B4/Li||Li5B4/Li電池的電壓剖面圖；(f) 在200℃時Li5B4/Li||Li5B4/Li電池循環前和第一次循環後的阻抗圖譜。

相關焦點

  • 華中科大《Adv Mater》200°C以上,仍能正常運行的鋰金屬電池
    近日，華中科技大學的孫永明教授和其團隊報導了Li-B合金改性Li負極，Li5B4獨特的3D互聯結構為合金提供了更高的穩定性。展示了Li5B4/Li複合材料在高溫鋰金屬電池中的應用前景。而且，這種負極還可以提高室溫下常規室溫鋰金屬電池的熱安全性。
  • 華中科大孫永明教授團隊在快速充放電特性鋰金屬電池研究取得進展
    鋰離子電池在電子設備、通訊傳輸、交通工具、軍事武器領域等具有重要應用。然而，鋰離子電池的進一步發展正面臨重大挑戰。當前電池研究的一個重點和難點是如何使電池同時實現高的電池能量密度和快速充放電能力。金屬鋰具有最高的理論比容量和最低的電化學電電位，被認為是最有前景的下一代高比能鋰電池負極。但是受限於電極（鋰箔）緩慢的界面鋰離子擴散，很難實現鋰箔負極高倍率應用。
  • 華中科大發表關於新型Li3P/C高容量電池負極研究進展
    隨著近些年可攜式電子設備、零排放電動汽車以及太陽能、風能等新型可再生能源的蓬勃發展，人們提出了越來越多的新型鋰離子電池 (LIBs)技術與機理，以實現更高的能量密度、更長的循環壽命、更快的倍率性能和更好的安全性。
  • 高比能電池金屬鋰負極材料獲重大突破
    中化新網訊 8月19日，記者從新餘市科技局獲悉，由江西贛鋒鋰業股份有限公司聯合華東理工大學、浙江鋒鋰新能源科技有限公司、奉新贛鋒鋰業有限公司、宜春贛鋒鋰業有限公司等單位完成的「高比能電池專用金屬鋰負極及核心原料成套設備技術與產業化
  • 雷射誘導氧化矽用於無負極鋰金屬電池
    這有幾個方面的影響，例如未來能源應用中的性能不足，這些應用需要更高的功率、更低的成本和更輕的電池。在鋰離子電池中，負極活性材料石墨在充電過程中充當主體來容納鋰離子；在電池放電過程中則相反。在沒有石墨負極的情況下，Li+可以充當鋰金屬可逆地鍍到集流體上並從集流體上剝離，使其重量比容量提高到3860 mAh g−1，是石墨負極的10倍以上。
  • 基於鋰金屬負極的水平應力釋放以消除枝晶
    通過實驗研究和數值模擬相結合的方法，對這種獨特的鋰金屬集流體在電池結構中的性能進行了評估。製備的鋰金屬電極在1 mA cm-2下循環490次後，庫侖效率保持在96%以上。即使在4 mAh cm?2的高鋰容量下循環100次後，其庫侖效率也可達到96%。
  • 別具匠心-鋰金屬電池中的聚丙烯酸鋰「智能」SEI膜
    文章中通過設計並用滴鑄法製備得到聚丙烯酸鋰「智能」SEI膜，與金屬鋰結合形成電極材料之後能夠作為保護層對電極進行保護。該人工SEI膜能夠與金屬鋰產生良好的粘結性，並且其獨特的柔性能夠使保護層適應金屬電極在循環過程中的體積變化，最終達到實現鋰金屬電池進行穩定長循環的目標。
  • 河南大學趙勇教授團隊Angew: 液/液電解液界面抑制鋰金屬電池中鋰...
    以鋰對稱電池和鋰氧氣電池為模型電池，系統研究了PFTOS和液/液界面對鋰金屬的腐蝕和枝晶生長的抑制能力。在該電解液體系中，PFTOS對鋰金屬具有超強的潤溼性（接觸角:0°，圖2a），這將有利於鋰離子在鋰負極表面的均勻沉積。同時，PFTOS對鋰金屬也具有較好的化學穩定性（圖2b-d）。
  • 500Wh/kg不是夢,聚合電解質助力超高比能量鋰金屬二次電池!
    隨著電動汽車的快速發展，對於動力電池能量密度的要求也在不斷提升，目前國內動力電池廠家已經基本完成了300Wh/kg產品的開發，能夠滿足現階段電動汽車的需求，但是這也已經接近了傳統鋰離子電池體系能量密度的上限，繼續提升的空間已經非常有限。金屬鋰的理論比容量可達3860mAh/g，電位僅為-3.04V（vs 標準氫電極），是下一代高比能儲能電池的最佳負極材料。
  • 具有超疏水鋰保護層的鋰空氣電池
    【工作介紹】復旦大學王永剛教授研究團隊，使用具有超疏水性和緻密堆積結構的水凝膠衍生的多孔碳（HDHPC）製備鋰保護層。HDHPC保護層可阻止鋰鈍化和水分子侵蝕，並抑制鋰電鍍/剝離過程中鋰枝晶的形成。與沒有HDHPC保護層的鋰空氣（氧氣）電池相比，獲得的具有HDHPC保護層的電池在氧氣和環境空氣（相對溼度為RH約為40％）條件下均能顯著提高循環穩定性。
  • :調控鋰離子溶劑化層,增強鋰金屬電池穩定性
    ：調控鋰離子溶劑化層，增強鋰金屬電池穩定性 【引言】新能源電動汽車和可攜式電子設備的快速發展，極大地推動了社會對安全的、高比能的儲能體系的需求。在眾多的負極材料中，金屬鋰由於理論比容量極高（3860 mAh g?
  • 全固態鋰金屬電池近期研究成果及國內電池供應商布局
    鋰金屬電池是下一代最具前景的高能量密度存儲設備之一。然而，鋰金屬在循環過程中產生的枝晶可刺破隔膜，引起電池短路甚至爆炸。採用固態電解質代替易燃的液態電解質可從根本上解除鋰金屬電池的安全隱患。固態鋰電池是一類使用固體電極材料和固體電解質材料的鋰電池。與液態鋰電池，混合固液鋰電池不同，固態鋰電池的電池單體中不含有任何液體電解質、液態溶劑及液態添加劑。
  • 美國研發可在零下10攝氏度工作的鋰金屬電池
    鋰電池，或者說鋰金屬電池都採用鋰金屬為陽極。在過去幾十年中，可充電的鋰電池被廣泛採用，用於給玩具、可攜式消費設備和電動汽車等各種電子設備供電。最開始，研究人員在低溫下仔細檢查了鋰金屬電池，以便更好地了解影響其性能的因素。他們觀察到，氣溫在零下15攝氏度時，電池的SEI（來源於傳統電解質）會結晶度很高且不均勻，從而極大地限制了氟化鋰納米鹽等被動SEI成分的形成，導致表面鈍化不良、鋰腐蝕以及陽極上生長樹突。在室溫下，添加其它層保護陽極、利用替代性電解質或引入鋰主電極可以防止此類影響。
  • 【乾貨】鋰離子電池vs鋰金屬電池:未來屬於誰?
    鋰是元素周期表中最輕最具負電性的金屬，是負極的最佳選擇。 然而，由於鋰金屬具有很強的反應活性，在上世紀90年代至21世紀初逐漸銷聲匿跡，並被鋰離子電池逐步取代，在鋰離子電池中，不含鋰金屬。隨著電解液方面的最新進展，鋰金屬實現了強勢回歸。
  • 周豪慎教授EES:可以在高水含量電解液中穩定循環的高壓鋰金屬電池
    因此，如果能開發出一種措施，能夠使得鋰離子電池（LIBs）/鋰金屬電池（LMBs）可以在高水含量/高溼度電解液的條件下組裝並保持穩定的電化學循環穩定性，將會大大簡化電解液的生產和純化工藝，以及電池的組裝工藝，進而大大減少能耗，提高電池產業的生產效率，並降低電池生產成本。
  • 定量分析鋰金屬電池容量衰降機理
    金屬鋰的理論比容量達到3860mAh/g，電位僅為-3.04V（vs 標準氫電極），並且具有優異的導電性，是一種理想的負極材料。通過將傳統的石墨負極替換為金屬鋰負極，可以將現有鋰離子電池的能量密度提升到400Wh/kg以上，因此金屬鋰是下一代高比能鋰離子電池幾乎唯一的負極選擇。
  • 中能鋰業:專注鋰金屬 備戰下一代電池負極材料
    目前，高純金屬鋰、電池級金屬鋰、一次鋰電池電極材料(包括鋰片、鋰帶、鋰繩、鋰鋁合金帶、鋰鎂合金帶等)、鋰合金材料(包括鋰鋁合金粉、鋰矽合金粉、鋰硼合金材料等)、二次鋰離子電池負極補鋰產品以及第三代鋰電池負極材料是中能鋰業的主要產品。其中，一次鋰電池電極材料已廣泛應用於鋰錳柱式電池、鋰亞柱式電池、鋰鐵電池、鋰錳扣式電池、熱電池等。
  • 電解液電池對金屬鋰負極的影響
    文/憑欄眺 金屬鋰負極的理論比容量為3860mAh/g，電位僅為-3.04V（vs標準氫電極），是一種理想的鋰離子電池負極材料，搭配高容量的正極材料，可以輕鬆實現400Wh/kg以上的能量密度。
  • 南科大《Adv Mater》首次提出全新的抑制鋰枝晶的方法
    500 Wh/Kg 鋰金屬電池（500 Wh/Kg Class Li Metal Battery Enabled by Self-Organized Core-Shell Composite Anode）」為題，首次提出一種全新的抑制鋰枝晶的方法，並可以將鋰金屬負極在減少質量的同時減少負極的體積，從而使鋰金屬電池同時實現超高體積能量密度1500 Wh L–1和質量能量密度
  • 一文看懂準固態鋰金屬電池中的鋰枝晶及SEI形成過程
    但鋰金屬電池在鋰離子沉積/脫出過程中會遭受不可控的鋰枝晶生長及嚴重的體積膨脹。同時，不穩定的固體電解液界面膜(SEI)造成了大量的不可逆鋰消耗，導致鋰金屬電池在實際應用過程中存在巨大的安全隱患且循環壽命過短。目前，採用固態電解液(SSEs)及凝膠態聚合物電解液(GPEs)取代傳統電解液是解決這類問題的主流策略，此外，更換新型電解液添加劑和構建穩定的SEI也是行之有效的方案。