中國粉體網(wǎng)訊 電動(dòng)汽車和新型電子設(shè)備對(duì)鋰電池的性能提出更高的要求。基于鋰負(fù)極的金屬鋰電池是達(dá)到500Wh/kg能量密度的最可能候選者。因此，開發(fā)穩(wěn)定高效的金屬鋰負(fù)極具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。
鋰金屬電池的發(fā)展
鋰金屬電池的組成部分主要包括金屬鋰負(fù)極，隔膜，電解液和正極。
1912年，鋰金屬電池被美國化學(xué)家Gilbert Newton Lewis首次提出。
隨后經(jīng)過60年的發(fā)展，到20世紀(jì)70年代，美國�？松梨诠镜腟tanley Whittingham采用TiS2作為正極，金屬鋰為負(fù)極，研制出了第一個(gè)實(shí)際的鋰金屬電池。
緊接著，到20世紀(jì)80年代，加拿大Moli Energy公司選用MoS2作為正極與金屬鋰負(fù)極組裝成了世界第一款商業(yè)化的鋰金屬電池。
但這些金屬電池在使用過程中會(huì)有大量的鋰枝晶形成，從而使得電池的安全性和可實(shí)用性極大的降低。隨之，陸陸續(xù)續(xù)發(fā)生了多起鋰金屬電池爆炸事件。
1982年Yazami教授首次將石墨應(yīng)用于固體聚合物鋰離子電池負(fù)極，表明石墨炭材料是可以實(shí)現(xiàn)可逆儲(chǔ)鋰的。
1991年，日本Sony公司率先將石油焦作為負(fù)極應(yīng)用于商業(yè)化鋰離子電池中，開創(chuàng)了以碳為負(fù)極材料的體系，鋰離子電池就此問世。
1993年，日本大阪公司成功將中間相炭微球（MCMB）作為負(fù)極應(yīng)用于鋰離子電池中。
石墨負(fù)極被作為傳統(tǒng)理離子電池的最佳選擇，并一直沿用至今。
《中國制造2025》明確規(guī)定，動(dòng)力電池能量密度規(guī)劃為：2020年-300Wh/kg；2025年-400Wh/kg；2030年-500Wh/kg。
鋰負(fù)極的金屬鋰電池是達(dá)到500Wh/kg能量密度的最可能候選者，預(yù)計(jì)在未來市場(chǎng)鋰金屬電池將占據(jù)鋰電池市場(chǎng)的大部分份額，成為行業(yè)的主流產(chǎn)品。
鋰金屬電池的優(yōu)勢(shì)
目前商業(yè)化的鋰離子電池普遍使用石墨作為負(fù)極，其理論比容量僅為372 mAh g-1已難以滿足電動(dòng)車與便攜電子設(shè)備快速發(fā)展的需求，因此需要開發(fā)容量更高 的材料來代替石墨�，F(xiàn)有的負(fù)極材料中，金屬鋰具有最高比容量（~3860 mAh g-1）、 低密度（~0.59g cm-3）和最低氧化還原電位（-3.04V vs .標(biāo)準(zhǔn)氫電極）等優(yōu)點(diǎn)。
如采用金屬鋰負(fù)極替換石墨負(fù)極，鋰金屬-LMO電池可以達(dá)到440 Wh kg-1的比能量。
金屬鋰負(fù)極不僅可極大地提高當(dāng)前鋰離子電池的能量密度，還能促進(jìn)高能量密度的Li-S（~650Wh kg-1）及Li-O2（~950Wh kg-1）等電池體系的發(fā)展。
從體積能量密度角度來看，Li-O2電池的體積能量密度（~1100Wh L-1）可接近于石油（~1250Wh L-1）。
鋰金屬電池存在的問題
金屬枝晶是電沉積過程中的一種現(xiàn)象，鋰在多次電沉積過程中傾向于樹枝狀生長。除了在溶解過程中枝晶與電極分離會(huì)降低充放電效率外，嚴(yán)重時(shí)枝晶會(huì)刺穿隔膜并導(dǎo)致電極短路，產(chǎn)生嚴(yán)重安全問題，使電池存在起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
Li是一種活潑金屬，會(huì)與電解液發(fā)生不可逆的連續(xù)反應(yīng)形成較厚的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜，增加電解液的消耗且增大電池的內(nèi)阻。
Li金屬負(fù)極在充放電過程中的體積膨脹是另一個(gè)問題，除破壞極片整體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電池失效外，體積的大幅變化會(huì)使 SEI 斷裂，加劇Li枝晶與死Li的產(chǎn)生。
同時(shí)，SEI 膜的反復(fù)斷裂與形成也導(dǎo)致電解液的持續(xù)消耗。
這些問題在高電流與高面容量的條件下會(huì)更加顯著。
解決方案
利用三維多孔結(jié)構(gòu)來適應(yīng)鋰電鍍/剝離過程中無限的體積變化被認(rèn)為是穩(wěn)定金屬鋰負(fù)極的重要策略，一些研究成果表明，構(gòu)建三維多孔集流體可以有效抑制枝晶的生成以及避免過多電解液的消耗。三維多孔集流體具有大的比表面積，這能降低電極表面的局部電流密度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰成核。三維多孔集流體中存在的大量空隙也可緩解鋰沉積時(shí)引起的體積膨脹。
針對(duì)各類負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國內(nèi)外市場(chǎng)狀況，中國粉體網(wǎng)將于10月25-26日在東莞舉辦第二屆先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇。屆時(shí)，廣東工業(yè)大學(xué)“百人計(jì)劃”特聘教授施志聰將作題為《用于下一代金屬鋰電池的鋰復(fù)合負(fù)極技術(shù)》的報(bào)告。報(bào)告將介紹基于具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的親鋰納米改性的集流體的復(fù)合鋰電極的設(shè)計(jì)、制備、性能、反應(yīng)機(jī)理、表面保護(hù)及電池應(yīng)用。
專家簡介：
施志聰，廣東工業(yè)大學(xué)“百人計(jì)劃”特聘教授，博士生導(dǎo)師，電池研究所所長。擔(dān)任中國硅酸鹽學(xué)會(huì)固態(tài)離子學(xué)分會(huì)理事，中國化學(xué)與物理電源技術(shù)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員，中國儲(chǔ)能與動(dòng)力電池及其材料專業(yè)委員會(huì)委員。專注于鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、固態(tài)電池的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”專項(xiàng)、廣東省科技廳產(chǎn)學(xué)研合作“新能源汽車”重大專項(xiàng)等項(xiàng)目20多項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文130多篇，獲得授權(quán)中國發(fā)明專利28個(gè)，培養(yǎng)博士后和研究生50多人。
參考來源：
徐凌. 海膽狀 Cu/Cu3N 納米材料的制備及其在金屬鋰負(fù)極三維集流體中的應(yīng)用
劉天存. 三維自支撐親鋰集流體的構(gòu)建及用于金屬鋰負(fù)極性能研究
吳寶亮等. 石墨負(fù)極材料的發(fā)展歷史與研究進(jìn)展
《中國制造2025》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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