华中农业大学叶欢副研究员，EnSM: 高能量密度锂金属二次电池的负极构型设计的综述- 大数跨境

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华中农业大学叶欢副研究员，EnSM: 高能量密度锂金属二次电池的负极构型设计的综述

科学材料站

2021-03-26

导读：本综述通过详细分析金属锂负极存在的问题，对比当前不同结构负极的优缺点，旨在筛选出适用于液态电解质体系和固态电解质体系中的锂负极，满足未来的长寿命金属锂电池的设计要求。

文章信息

高能量密度锂金属二次电池的负极构型设计的综述

第一作者：李云诺，华中农业大学

通讯作者：叶欢，华中农业大学

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829721001215

研究背景

锂离子电池因其电压高、能量密度大、无记忆效应等优势在众多领域得到广泛应用；但其石墨负极材料的理论比容量仅为372 mA h g-1，难以满足新技术飞速发展对高能量密度二次电池的迫切需求。

金属锂，因具有较高的理论比容量（3860 mA h g-1），较低的还原电位（-3.04V vs. SHE）以及低的质量密度（0.59 g cm-3），被认为是下一代最具潜力的锂电池负极材料。然而，金属锂负极的不均匀沉积会形成枝晶，导致SEI膜反复破裂修复，非活性锂的聚集及巨大的电极体积膨胀和收缩，最终降低电池的库伦效率，恶化电池的循环性能和带来严重的安全隐患。

文章简介

基于此，华中农业大学的叶欢副研究员在Energy Storage Materials上发表了题为“Recent Smart Lithium Anode Configurations for High-Energy Lithium Metal Batteries”的综述文章。

本综述通过详细分析金属锂负极存在的问题，对比当前不同结构负极的优缺点，旨在筛选出适用于液态电解质体系和固态电解质体系中的锂负极，满足未来的长寿命金属锂电池的设计要求。本文为未来的研究提供了思路，有助于加速金属锂负极构型的研究及实际应用。

图1. 金属锂负极的失效示意图

本文要点

要点一：界面稳定的锂负极

金属锂表界面的稳定性直接影响锂金属负极的循环稳定性。稳定的表界面层有助于实现均匀的锂沉积和维持稳定的电极体积。

优化电解液的成分或者人工引入保护层，增加表界面的机械强度和提高锂离子电导率，可以减少副反应的发生，提高锂负极的库伦效率。减小锂的尺寸到微/纳米尺度，在锂片表面印制一些图案，可以提高比表面积，降低局部电流密度，提高锂的电化学活性，减少锂枝晶的生长和获得高的锂利用率。

要点二：三维集流体/锂的复合负极

金属锂的转化反应机制和定向生长特性容易诱导枝晶的生长和大的电极体积变化。将金属锂封装在载体中，可以利用载体大的比表面积，降低局部电流密度，实现锂沉积物的分散，提高金属锂的活性和利用率。

利用载体多孔的网络结构，可以限制金属锂的体积膨胀和收缩，实现快速的锂离子传输，获得高的倍率性能。但是在过充，高倍率，低温等条件下，金属锂枝晶生长的问题依然存在。设计亲锂-疏锂梯度结构，三维载体-界面复合结构和特定微纳结构，可以诱导金属锂的侧边生长或者由下往上生长，确保电池在枝晶存在的情况依然能够工作。

要点三：固态电解质/锂的复合负极

固态电解质代替液态电解质，可以解决液态体系易燃、易爆炸的风险，同时还可以利用固态电解质的高机械模量抑制枝晶生长。但是如何提高固态电解质的室温离子电导率和金属锂与固态电解质界面的浸润性是目前亟待解决的问题。

使用固态电解质/锂相结合的复合负极可以确保锂均匀沉积到三维框架中，减少了锂枝晶的生长，并且抑制体积膨胀。但是如何同时保证负极的体积稳定和负极内部的离子通道，是未来电极设计的新方向。

要点四：总结展望

SEI稳定的锂负极可以实现循环寿命的改善，但是由于SEI层易碎和刚性的特点无法有效的适应金属锂的体积变化，因此需要关注功能性界面层，如带有动态化学键的界面层。金属锂与三维集流体相结合可以解决金属锂体积变化大的问题，但是如何实现高效、低成本复合是需要关注的问题。

从液态体系转向固态体系是未来的研究趋势，然而由于固态电解质固体特征，无法直接复制液态体系制备复合负极的方法，需要重点考虑负极-电解质固-固界面接触和负极内部的离子传输。