骆超教授AFM综述：用于高性能锂金属电池的电极结构及电解液设计策略- 大数跨境

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骆超教授AFM综述：用于高性能锂金属电池的电极结构及电解液设计策略

科学材料站

2021-02-14

导读：该文章从集流体结构和电解液设计方面出发，总结了四种用于高性能锂金属负极的有效策略，包括表面包覆、多孔集流体、液体电解液和固体电解液设计。

文章信息

用于高性能锂金属电池的电极结构及电解液设计策略

第一作者：秦凯强

通讯作者：骆超*

单位：乔治梅森大学

研究背景

锂金属因其容量高，且在所有已报道的负极材料中具有最低的反应电位，使其成为下一代高能量可充电电池的“圣杯”负极。然而，其在锂金属电池的实际应用中却受到了诸多阻碍，比如锂枝晶的不可控生长，以及锂金属在沉积和拔出的过程中体积的无限变化导致很大的安全隐患。

目前，稳定的SEI膜的形成，以及有效的三维多孔集流体的构建是克服以上关键问题同时推进锂金属电池实际应用的最有前景的方法。

文章简介

近日，乔治梅森大学骆超教授等合作。在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Strategies in Structure and Electrolyte Design for High‐Performance Lithium Metal Batteries”的综述文章。

该文章从集流体结构和电解液设计方面出发，总结了四种用于高性能锂金属负极的有效策略，包括表面包覆、多孔集流体、液体电解液和固体电解液设计。

另外，文章也针对目前锂金属负极面临的挑战和机遇进行了总结，同时也对锂金属负极未来的发展方向做了展望。

图1. 用于高性能锂金属电池的锂金属负极设计策略示意图。

本文要点

要点一：稳定SEI膜的形成

锂金属负极的高反应活性以及低反应电位导致锂金属和电解液会自发反应，在锂金属表面形成一层SEI膜。SEI膜是一层钝化膜，可以有效的抑制锂金属和电解液之间的进一步反应。根据Peled等人提出的马赛克模型显示，SEI膜是由内层的无机层和外层的有机层组成。

与有机层相比，无机层具有更高的剪切模量，使得SEI膜能够保持其完整性同时抑制锂枝晶的生长。在众多的无机SEI膜成分中，LiF被认为是其中最为关键的组分，因为其具有优异的化学稳定性以及很高的机械强度。为了形成坚固的SEI膜来抑制锂枝晶的形成和生长，涌现出大量的关于富LiF的SEI膜的工作。

迄今为止，两种主要的实现此目标的策略是：

1）利用表面包覆的方法预先合成一层富LiF的人工SEI膜；

2）使用高浓度氟化电解液，氟化溶剂或者氟化添加剂来原位合成富LiF的SEI膜。除了富LiF的SEI膜之外，其他有机和无机材料也可以用来在锂金属负极表面构建稳定的SEI膜。

另外，SEI膜在全固态锂金属电池中也扮演着重要角色。固态电解质虽然具有超高的强度和硬度可以抑制锂枝晶的生长，但在固态电解质和锂金属之间稳定的SEI膜是保证二者密切接触和降低界面电阻所必须的。

要点二：缓解锂金属负极在充放电过程中体积的无限变化

大多数的负极材料在电池充放电过程中都会有体积变化的问题。比如，石墨负极的体积变化约为10%，硅负极在完全嵌锂后体积增大约400%。对于锂金属负极而言，完全脱锂后，全部的锂金属都可以被从负极端拔出，从而导致其无限的体积变化。

为了克服这一难题，稳定的三维多孔集流体被用以预储锂来缓解充放电过程中负极的体积变化，比如三维多孔金属、三维碳膜、有机/无机复合薄膜、合金材料以及垂直金属阵列材料。

另外，三维多孔集流体增大了集流体的比表面积也降低了锂金属负极的面电流密度，同时也可有效抑制锂枝晶的生长。稳定的三维多孔集流体和SEI膜的结合可以有效提高锂金属负极的安全性和稳定性，是促进锂金属电池实际应用非常有效的策略。

文章链接

Strategies in Structure and Electrolyte Design for High‐Performance Lithium Metal Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202009694

通讯作者介绍

骆超美国乔治梅森大学助理教授，博士生导师。

曾在美国马里兰大学王春生教授团队从事博士研究生和博士后研究员工作。研究内容主要包括有机电极材料在锂离子，钠离子，钾离子，多价金属电池，全固态电池，与硫正极材料的设计研究。迄今为止，在Science, Nat. Comm., PNAS, Chem, Adv. Mater., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., ACS nano, Nano Lett., Nano Energy等国际权威期刊上发表学术论文60余篇。论文总被引用次数超过6000, H因子为40。研究成果先后被MaterialsViews China, ChemistryViews, Phys.org, The Graphene Council等国际、国内知名媒体报道。目前主持美国国家自然科学基金项目1项。

现担任Chinese Chemical Letters (Elsevier出版集团, IF = 4.632)青年编委，Processes (IF = 2.753)编委，国际期刊Frontiers in Energy Research的特邀编辑。

第一作者介绍