山东大学|李国兴教授AEM综述：让锂离子“听话”的跑起来：调控锂离子传输实现高性能可充电电池- 大数跨境

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山东大学|李国兴教授AEM综述：让锂离子“听话”的跑起来：调控锂离子传输实现高性能可充电电池

科学材料站

2021-01-11

导读：该文章展示了锂离子传输在电池运行中的重要作用以及其对锂金属沉积和充放电动力学的影响，揭示了锂离子传输调控与电池性能间的关系

文章信息

调控锂离子传输方式实现高性能锂金属电池和快速充电锂离子电池

第一作者：李国兴

通讯作者：李国兴*

单位：山东大学

研究背景

新型电子设备和电动汽车的快速发展要求未来的可充电电池具有高功率、高能量密度和快速充电性能。获得高能量密度需要开发和应用新的电极材料，如锂金属负极；实现快速充电性能需要改善电池的化学动力学。

高性能锂金属电池和快速充电锂离子电池的实现，需要分别解决锂枝晶生长和锂在负极中析出的问题，而这些问题的部分原因是锂离子在电池系统中的传输不均匀和传输速度慢，归根结底与锂离子的传输方式有关。因此，调整锂离子在电池系统中的传输方式，实现锂离子的均匀快速传输，是解决快充电池中锂金属负极枝晶生长和负极析锂问题的关键之一。

文章简介

近日，来自山东大学的李国兴教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Regulating Mass Transport Behavior for High-Performance Lithium Metal Batteries and Fast-Charging Lithium-Ion Batteries”的综述文章。

本文阐述了锂离子传输在电池运行中的重要作用及其对锂金属沉积和充放电动力学的影响，揭示了锂离子传输调控与电池性能的关系。同时，结合锂金属电池和快充锂离子电池领域的最新进展，进一步阐述了如何通过调节锂离子的传输方式，解决锂金属电池中锂枝晶生长和快充电池负极析锂的问题，从而实现高性能锂金属电池和快速充电锂离子电池。

同时，本文对未来如何通过调节锂离子的传输来提高电池性能提出了展望，为今后的研究提供了方向，进一步加深了我们对锂离子在电池系统中传输行为的认识。

图1. 调控锂离子传输方式的几种方法。

本文要点

要点一：电动效应加速锂离子传输

带电多孔材料的表面在电解液中形成双电层，外加电压作用下的电动势效应（如电渗流、表面传导等）可以改变锂离子的传输方式。因此，对于锂金属负极，可以设计具有高zeta电位的三维或二维多孔材料作为锂金属的宿主或保护层，并通过电动效应调节锂离子的传输速率和方向，从而诱导锂金属的均匀、致密沉积。

要点二：锂键改变锂离子传输方式

在电解质中，扩散和电迁移是锂离子迁移的主要驱动力。但其它弱作用力，如色散力、诱导力、取向力等也对锂离子的传输方式产生重要影响。锂离子和给电子体之间形成锂键，这种力类似于氢键。

锂键在电池系统中也很常见。例如在锂硫电池中，多硫化锂与给电子基团之间的相互作用可视为锂键，可以抑制多硫化锂的溶解。因此，锂键的存在会改变锂离子的传输方式，特别是改变锂离子的传输方向，对锂金属的沉积有重要影响。

基于此，可以设计具有均匀分布的亲锂基团的保护层、集流体或电极，使其具有亲锂特性，并与锂离子形成锂键，改变锂离子原有的传输路径，有利于锂金属的均匀沉积。

要点三：利用电极结构/电极修饰调控锂离子传输

锂离子在电解质中的迁移受电极电流密度和电流分布的影响。粗糙的二维平面电极往往导致电流分布不均匀。锂离子倾向于迁移到电流密度较高的区域，从而加剧锂枝晶的生长。

三维多孔导电电极（如三维多孔铜、三维多孔碳材料等）具有较高的比表面积，所施加的外加电场将均匀地分散在整个三维多孔网络中。因此，在诱导锂离子均匀运动的同时，有效电流密度显著降低，从而消除锂枝晶的生长。

锂离子在电极中的传输速率受电极曲率的影响。通过构建三维多孔电极，可以显著降低电极的曲率度，从而加速锂离子的传输，有助于改善锂离子的嵌锂动力学，提高快速充电性能。

要点四：新型负极材料提高锂离子传输

锂离子在负极材料中的扩散是决定锂离子电池充放电速率的重要参数。在快速充放电过程中，扩散速度较慢会引起严重的浓差极化，从而在负极上造成巨大的电压降，当负极电压低于0 V（vs.Li/Li+）时，会发生析锂。

锂离子在传统石墨中的扩散速率相对较低，石墨的嵌锂电位接近锂离子的还原电位，这使得石墨在快速充电过程中容易析锂。因此，开发和应用锂离子扩散率高的新型负极材料（如Li4Ti5O12、Li3+xV2O5、磷等）有助于实现快速充电性能。

要点五：电解液设计改变锂离子传输

电解液的组成直接影响锂离子的传输。电解液的设计（如高浓度电解液、局部高浓度电解液等）可以增加锂离子的迁移数，从而降低浓差极化，有助于提高电池功率。同时，电解液的成分也决定了SEI的性能，优化电解液的组成可以获得高锂离子电导率的SEI，有利于锂离子在电解液/电极界面的快速传输。对于很高安全性的全固态电池来说，研制高锂离子导电性的固体电解质是构筑这种电池的前提。

要点六：温度加速锂离子传输

温度对锂离子的传输有重要的影响。锂离子在电解液和电极材料中的扩散遵循阿伦尼乌斯公式，并与温度呈正相关。因此，合理提高电池的工作温度可以显著提高锂离子的传输速率，有利于实现锂离子电池的快速充电性能和锂金属的均匀沉积。

要点七：前瞻

在可充电电池系统中，锂离子的传输方式对电池的性能有着重要的影响。如何合理调节锂离子的传输方式，提高电池性能，是今后一个重要的研究方向。对于整个电池系统来说，电池的每个部分都会影响锂离子的传输，因此精心设计的每个部分都可以控制锂离子的传输，从而实现锂金属的均匀沉积和快速充电性能。

例如，对于电极部分，可以缩短锂离子的传输路径，引入快速锂离子传输层，设计高zeta电位的功能粘合剂；对于电解液部分，可以利用电动效应改变锂离子的传输方式；对于电解液/电极界面，可以通过优化电解液成分或人工构建具有高锂离子导电性的稳定超薄界面；对于隔膜部分，可以通过调节孔隙率、界面修饰和开发具有高zeta电势隔膜来调节锂离子的传输。因此，锂离子传输的精确调控有助于实现稳定的锂金属电池和快速充电电池，加速高性能可充电电池领域的研究和实际应用。

文章链接

Regulating Mass Transport Behavior for High-Performance Lithium Metal Batteries and Fast-Charging Lithium-Ion Batteries.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202002891

通讯作者介绍

李国兴，山东大学前沿交叉科学青岛研究院教授

博士毕业于中国科学院化学研究所，随后分别在美国亚利桑那大学、宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作。长期从事高性能可充电电池、储能材料的研究和开发。以通讯作者和第一作者身份在Nature Energy, Nature Communications, Advanced Energy Materials, ACS Nano, ACS Energy Letters等学术刊物上发表多篇研究论文。成果多次被Materials Today, NPG Asia Materials, NanoTech, Nature China等权威杂志作专题评述，并受到多家媒体及门户网站报道。