提高锂电极稳定性的方法及其在锂氧电池中的应用

摘要

以金属锂为负极的二次电池具有高的能量密度(3860 mAh/g),被誉为电池设计制造业的"圣杯".但是由于金属锂与电解液反应形成的固态电解质(SEI)组成和结构不均匀、稳定性较差,使得在电池循环过程中,金属锂的沉积和析出伴随着枝晶与"死锂"的生成以及体积膨胀,容易造成电池短路、循环稳定性差、能量效率低等问题.此外,在具有高能量密度的锂氧电池中,锂负极还面临着与正极交互作用(如与正极活性物质氧气、放电中间体分解电解液产生的水分等反应)带来的腐蚀问题.本文对金属锂枝晶及腐蚀问题进行评述,涉及合金化锂负极、三维结构锂负极、表面处理、电解液成分、隔膜改性以及固态电解质等提高金属锂稳定性的方法.其具体包括锂与硅、锡、铝等金属形成的合金化电极;采用多孔金属(如镍、铜等)、多孔碳材料(如碳纳米管、石墨烯、碳纤维等)构筑三维结构电极及其亲锂性的改善方法;通过化学预处理、电化学预处理、抛光和制备保护膜等表面处理方式提高金属锂的稳定性;通过调整电解液溶剂、溶质、添加剂的成分或浓度等方法调控固态电解质的组成和结构,以增强其稳定性;采用高聚物和/或无机纳米材料的复合材料对传统电池隔膜进行改性以防止正负极交互作用;以及使用高锂离子电导率的固态电解质等.本文充分探讨了各种锂保护方法的基本原理,详细阐述了其改善金属锂稳定性的根本原因,阐明了各种锂保护手段对电池性能的影响及其存在的不足与相应的改进方法,并对锂电极保护在新型锂氧电池中的应用及前景进行了展望.