近年來(lái),能源供給日益緊張的局勢(shì)迫切要求人們研發(fā)兼具高能量密度和長(zhǎng)使用壽命的金屬二次電池（如鋰、鈉、鋅、鎂金屬電池等）,以滿足電動(dòng)汽車(chē)、便攜式電子設(shè)備、航天電源等領(lǐng)域的能源需求。在上述二次電池中,鋰金屬作為負(fù)極時(shí),因具有最低的還原電勢(shì)（—3.04 V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極）和最高的理論容量（3860 mAh g-1）,引起了科研工作者強(qiáng)烈的興趣。但目前,鋰金屬電池因鋰枝晶問(wèn)題使其應(yīng)用前景大打折扣。這主要是因?yàn)?（1）鋰枝晶的生長(zhǎng)與蔓延極易誘發(fā)電池內(nèi)部短路導(dǎo)致電池安全問(wèn)題;（2）鋰枝晶在快速放電過(guò)程中,極易脫落于電解質(zhì)液中形成“死鋰”,降低電池容量和縮短電池的使用壽命。（3）鋰枝晶刺破固體電解質(zhì)保護(hù)層,與電解液發(fā)生副反應(yīng),消耗電解液,縮短電池的使用壽命。由此可見(jiàn),鋰枝晶的抑制是開(kāi)發(fā)高功率密度和長(zhǎng)使用壽命儲(chǔ)能電池的首要前提。在過(guò)去幾十年中,科研工作者通過(guò)對(duì)電解液改性、固體電解質(zhì)界面保護(hù)、固態(tài)電解質(zhì)、結(jié)構(gòu)化或功能化負(fù)極、隔膜改性、充電方式等技術(shù)手段來(lái)抑制鋰枝晶。上述有關(guān)材料創(chuàng)新的研究工作已取得重要進(jìn)展,但鋰枝晶難題依然懸而未決。理解枝晶結(jié)構(gòu)的生成機(jī)制角和洞悉枝晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力將有助于提出新的抑制鋰... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所)北京市

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１化學(xué)電源示意圖??

鋰電池發(fā)展甚至一度停滯。直至１９９１年，索尼公司以鈷酸鋰為電池正??極材料，以碳材料為負(fù)極（鋰離子嵌入形成ＬｉＡ．Ｃ化合物），避免了使用金屬鋰作??為負(fù)極帶來(lái)的電池內(nèi)部短路的問(wèn)題（圖１．３ｂ）?［５］。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極??化合物ＬｉＣｏ０２晶格中脫出生成Ｌｉ７＿ｘＣｏ０２，脫出的鋰離子在電解液（如商用電解??液ｌｍｏｌ／ＬＬｉＰＦ６／ＥＣ／ＤＭＣ）中由正極向負(fù)極傳輸，在負(fù)極處嵌入碳插層材料形成??ＬＬＴＣ。至今鋰離子電池仍廣泛應(yīng)用于日常生活中的方方面面［７４（）］。??⑷??？???＋?＊??Ｐｏｓｉｔｉｖｅ?Ｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓ?Ｎｅｇａｔｉｖｅ??（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?１）?ｌｉｑｕｉｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?（Ｌｉｔｈｉｕｍ）??Ｉ??Ａｆｔｅｒ?１ＣＸ）?ｃｙｃｌｅｓ??（ｂ）??？???．??Ｐｏｓｉｔｉｖｅ?Ｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓ?Ｎｅｇａｔｉｖｅ??（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?１）?ｌｉｑｕｉｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?２）??＼ｌ〇〇°〇ｗ??圖１．３鋰離子電池和鋰金屬電池的工作原理圖示１５１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｏｐｅｒａｔｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｙ?ａｎｄ??ｌｉｔｈｉｕｍ?ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｙ１５１．??在商業(yè)化的鋰電池中

金屬鋰是電池的理想負(fù)極，因?yàn)樗哂凶罡叩睦碚撊萘浚牵樱澹希恚粒瑁纾眨�，最低�??密度（０．５９ｇｃｎｆ３）和最負(fù)的電化學(xué)電位（一３．０４Ｖ?）。與現(xiàn)有的ＬＩＢｓ相比，金??屬鋰作為負(fù)極進(jìn)一步提高了鋰金屬電池（ＬＭＢ）的能量密度，如圖１．５所示，Ｌｉ－０２??和Ｌｉ－Ｓ電池分別具有高達(dá)３５０５?Ｗ?ｈ?ｋｇ“和２５６７?Ｗ?ｈ?ｋｇ—１的理論能量密度［６３＃］。??這些鋰金屬電池充分發(fā)揮了金屬鋰的優(yōu)勢(shì)，在滿足新興行業(yè)高能量密度需求層面??具有巨大潛力。??（ａ）?（ｂ）?■ｕｎｍ咖丨ａｕｔｊｍ??：?－?？?Ｏ?－??翻Ｉ關(guān)??，ｃ，ｙＥ＾§??＂Ｕｒ?＿?Ａｎｏｄｅ?ｍＭｔｒｉａｂ??＾?ｍｍｍｍｍｍ?■■ｍｍｍｍｍｍｍ?〇ｔ?Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ?ｓｉｄｅ?ｒｅａｃｔｉｏｎ??差一?＊?ＥＳＳＳＢＢＤ??一?．?１??１０ｉｘＵ？ｃｃ＾—一??圖１．５鋰金屬電池優(yōu)勢(shì)及其面臨問(wèn)題分析：（ａ）鋰離子電池示意圖；（ｂ）鋰金屬電池示意??圖；（Ｃ）典型電極材料在電壓和容量方面的比較，ＬＭＢｓ的能量密度遠(yuǎn)大于ＬＩＢｓ；?（ｄ）鋰??枝晶引起的安全問(wèn)題；（ｅ）連續(xù)副反應(yīng)引起的較低的循環(huán)性能；（ｆ）負(fù)極內(nèi)無(wú)限的體積變化??引起的負(fù)極粉碎１６３４５１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｔｈｅ?ａｄｖａｎｔａｇｅ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｙ?ａｎｄ?ｉｔｓ?ｐｒｏｂｌｅｍ．（ａ）?ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ??ｂａｔｔｅｒｉｅｓ?ａｎｄ?（ｂ）?ｌｉｔｈｉｕｍ－ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ


本文編號(hào)：3434175