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3.4功能化中间层抑制锂枝晶
常规的非织造聚合物或微孔隔膜太脆弱以至于不能抵抗枝晶,对锂沉积行为没有显著影响。这里开发了改进的中间层,以进一步保证电池的性能,这主要是通过与枝晶或锂离子通量的相互作用。这里,中间层具有不同的功能,包括专门设计的分离器或附加的保护层,以弥补分离器的弱点。
图13抑制枝晶的功能化中间层示意图
a)具有高模量BN涂层的分离器;
b)具有特别内部结构的分离器;
c)具有高模量成分的分离器;
d)具有朝向锂离子化学势的功能化附加层。
通常,预期LMBs的理想分离器具有良好的润湿性、快速的离子传导性、强的机械强度和操纵锂沉积行为的能力。鉴于电池阻抗、重量、体积等因素,直接功能化分离器比插入额外的保护层更好,尽管后者在组成、结构和性质(机械强度,导电性)等方面具有更多的选择。
4挑战和展望
LOE因为具有无与伦比的离子导电性和对锂负极的界面润湿性而被广泛使用。然而它们在阻止重复沉积/溶解时的枝晶生长和体积膨胀的机械强度时却很差。此外,金属锂和液体电解质之间的极度活泼性会引起严重的锂腐蚀。相应的SEI层的断裂和异质性可能会加速枝晶生长和电解质/锂消耗。为了能量密度、电池性能和安全性,固态电解质的引入似乎是下一代高能量LMBs的基本策略。
4.1挑战
上述策略,包括定制负极结构、优化电解质、建造人造界面和功能化中间层,确实减轻了锂金属负极的安全隐患,并显著提高了LMBs的电化学性能。然而这些策略仍然存在一些缺点:i)如定制负极结构的方法需要额外的预沉积工艺来加载每个电极的锂源,这在工业应用中是不实际的;ii)枝晶抑制和电化学性能之间的困局仍然难以解决;iii)引入特殊设计的负极结构、人造SEI层、保护层等不可避免地增加了电池阻抗并降低了整个电池的能量密度;iv)添加剂添加量少,在长期循环过程中不能持续;v)最有效的方法仅适用于诸如低电流密度、小的锂沉积能力、特定电解质组成、高电解质添加等条件。
图14采用3D导电主体作为框架,人造SEI层作为屋顶,为极度活泼的锂建一个房屋
4.2展望
固态电解质(SSEs)机械刚度强,并且具有不可燃、非爆炸和零泄漏等特征,似乎是一次性解决锂枝晶引起的安全隐患的基础工具。此外,SSEs能从正极吸收可溶性电极组分,防止电极之间不期望的化学相互作用。更重要的是,固体无机电解质仅允许锂离子的转移,从而消除了在液体电解质中的严重浓度梯度,避免了枝晶形核。因此,SSEs在下一代高能LMBs中具有很大的应用潜力,而固体聚合物和无机电解质已经在LMBs中得到应用,取得了实质性的成功。
图15通过涂覆不同的稳定材料,改善固体无机电解质和锂箔之间的固-固界面
a)玻璃陶瓷电解质涂层;
b)基于与金属锂的合金反应的Si涂层。
图16结合了每个组分优点的固体混合电解质插图
a)聚合物/陶瓷/聚合物-三明治电解质(左),内部曲线是固体混合电解质和单个固体聚合物电解质的电势分布图(右);
b)密闭空心SiO2球体作为电解质的液态电解质。
5结论
复兴锂金属电池,有望作为下一代高能电池的负极材料。本文对将锂金属电池的最新进展进行了总结,对锂金属负极的问题及其基本失效机理进行了深入的讨论。并结合指导性原则操纵锂离子的沉积行为,抑制锂枝晶的形成/生长,抑制与活性锂相关的寄生反应,以减少循环时的体积变化。本文综述了过去三年液态有机电解质系统中锂金属负极的发展和代表性工作,包括定制负极结构、优化电解质、建造人造负极-电解质界面和功能化中间层。最后介绍了LOE系统中仍然存在的挑战,并给出了引入固态电解质以彻底解决安全问题的未来展望。
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