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【LOL外围】【干货】金属锂负极全面解读(上篇)

本文摘要:想起锂离子电池就被迫驳回日本的索尼公司,在1992年日本索尼公司发售了全球首款以碳材料为负极,不含锂金属氧化物为负极的商用锂离子电池,这也标志着一个全新储能时代的来临,随后经过几十年的发展,锂离子电池的各项性能逐步提高,完全早已攻占了整个消费电子市场。

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想起锂离子电池就被迫驳回日本的索尼公司,在1992年日本索尼公司发售了全球首款以碳材料为负极,不含锂金属氧化物为负极的商用锂离子电池,这也标志着一个全新储能时代的来临,随后经过几十年的发展,锂离子电池的各项性能逐步提高,完全早已攻占了整个消费电子市场。只不过在索尼公司发售锂离子电池之前,使用金属锂负极的锂电池早已经过了数十年的发展,但是受限于金属锂负极的安全性问题,使得当时的锂电池不能作为一次电池用于,并且高昂的成本也很大的容许了锂电池的应用领域,因此在消费级市场很难看到锂电池的身影。随着索尼发售首款商业化锂离子电池,锂离子电池在与锂电池的竞争中继续占有了绝对优势,但是随着人们对能量密度拒绝的大大提升,锂离子电池早已很难符合日益提升的比能量的市场需求,于是具备高比容量天然优势的金属锂负极首演了一场“王者回来”大戏,今天我们就带上大家追随斯坦福大学的DingchangLin,YayuanLiu和YiCui的脚步,一起对金属锂负极展开一次全面而深刻印象的剖析。

金属锂的比容量为3860mAh/g,电化学势为-3.04V(vs标准氢电极),是一种十分理想的锂电池负极材料。如上图右图,目前锂离子电池的比能量平均250Wh/kg,但是如果我们将锂离子电池的负极替换为金属锂,那么我们就可以取得440Wh/kg的比能量,而像Li-S和Li-空气电池比能量则需要超过650Wh/kg和950Wh/kg的比能量。要用于金属锂作为锂离子电池的负极材料,我们还必须解决一下几个难题:安全性和循环寿命。

后遗症金属锂负极的主要问题主要是锂枝晶的问题,如下图右图,在循环过程中,由于局部极化的因素,使得金属锂表面生长锂枝晶,当锂枝晶生长到一定程度的时候就有可能击穿隔膜,引起安全性问题,此外如果锂枝晶再次发生脱落,就不会构成“杀锂”,导致电池容量损失,因此锂枝晶是推开在金属锂负极应用于路上仅次于的障碍。对于枝晶问题我们并不陌生,在传统的金属电解生产中,例如电解工艺生产Cu、Ni和Zn等,枝晶生长问题是尤为少见的难题,因此学者们对于金属在电镀过程中枝晶问题具有非常丰富的经验,可以用来对解读锂枝晶问题。一般来说我们指出,在电镀的过程中正负电极之间不会构成一个阳离子的浓度梯度,受限于溶液中离子的蔓延速度,当电流密度超过一个特定值J*时,在阴极附近的阳离子消耗只剩,此时不会在阴极构成局部的电荷不足,从而造成枝晶的产生。


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