摘要：随着信息化、电动化和新能源技术的快速发展,便携电子、电动汽车和储能设施需要更高能量密度的电化学储能电池,但广泛使用的锂离子电池的能量密度正逐步接近极限,难以满足上述需求。因此亟需发展更高能量密度的电化学体系。锂金属负极具有极高的理论容量(3860 mAh·g^(-1))和最低的氧化还原电势(-3.04 V vs SHE),被认为是实现下一代高能量密度电池的理想材料。然而在几十年的发展过程中,锂金属电池较低的循环寿命和安全性问题严重制约了其实用化。本文从锂金属电池的发展历程出发,分析锂金属负极反应活性高、锂枝晶、死锂和体积膨胀等问题及作用机理,并就上述问题分别从界面设计和体相设计方面综述应对策略,包括非原位/原位生成的界面层保护、合金化锂负极以及三维复合锂负极,最后针对实效电池的约束条件、电极串扰及大容量电池的失效机制等实用化锂负极未来发展进行探讨和展望。

摘要：锂金属电池由于极高的理论比容量而被认为是高能量密度电池的有利选择。然而界面不稳定性一直是锂金属电池商业化发展的最大挑战,热场演化机制是锂金属界面演化过程中影响电池循环寿命的关键因素。通过固体电解质界面(SEI)热分布演化模型揭示并量化了锂金属负极界面热量分布演化机制,3个影响因素是SEI与电解液扩散能力的比率、电解液性能和赋予SEI各向异性。结果表明,在适当的比例下界面处最大温度梯度相对较小;电解液浓度影响电解液的性能,进而影响锂金属负极界面的热量分布;赋予SEI各向异性可以诱导锂枝晶横向生长,有利于界面热量的均匀分布。这项工作可为锂金属电池的界面设计提供一定的理论指导。

摘要：将聚苯乙烯磺酸(PSS)进行锂化处理后,涂覆在锂箔表面,在锂金属表面构筑一层均匀的聚苯乙烯磺酸锂(PSSLi)界面保护层,形成PSSLi@Li复合电极.通过红外光谱(FTIR)、电化学阻抗谱(EIS)、电池性能分析和有限元多物理场仿真模拟等方法,对该复合电极进行了结构和性能研究.结果表明,PSSLi界面保护层能有效地避免电解液与锂金属的直接接触,抑制了“死锂”和锂枝晶的生成.聚苯乙烯磺酸锂具有整齐排布的磺酸基团,为锂离子提供了稳定的传输通道,能够均匀化锂离子的迁移速率,调节锂离子在电极表面的浓度分布,并实现均匀的锂金属沉积/剥离.电化学实验数据表明,将该PSSLi界面层涂覆在铜箔表面进行库仑效率测试,循环350次实验后仍然能够保持在99.5%以上;利用PSSLi@Li复合电极组装形成的对称电池,在1 mA/cm^(2)的电流密度、1 mA·h/cm^(2)的面积容量下,能够稳定循环1200 h以上;PSSLi@Li与磷酸铁锂正极材料组装的全电池,在1C倍率下循环500次后,仍具有115 mA·h/g的容量,容量保持率可达81%以上;在8C的高倍率下,该电池的容量可达到105 mA·h/g.

摘要：金属锂具有超高的理论容量(3860 mAh·g^(−1))和低氧化还原电位(−3.04 V vs.标准氢电极),是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料。然而,循环过程中的体积膨胀、锂枝晶生长和“死锂”等问题严重的限制了其实际应用。合理设计三维骨架调控金属锂的成核行为是抑制锂枝晶生长的有效策略。本文中,我们发展了一种“软硬双模板”的方法合成了兼具大孔和介孔的三维碳-碳化钛(Three-dimensional macro-/mesoporous C-TiC,表示为3DMM-C-TiC)复合材料。多级孔道为金属锂的沉积提供了足够的空间,缓冲充放电中巨大的体积变化。此外,TiC的引入显著增强多孔骨架的导电性,改善锂金属的成核行为,促进金属锂的均匀成核和沉积,抑制锂枝晶生长。3DMM-C-TiC||Li电池测试表明,在循环300圈以后,库伦效率仍保持在98%以上。此外,所得材料与LiFePO_(4)(LFP)组成的全电池也表现出优异的倍率和循环性能。本工作为无枝晶锂金属负极的设计提供了新的思路。

摘要：锂金属直接用作负极时,在循环过程中面临枝晶生长和体积膨胀的问题,导致固态电解质界面(SEI)层断裂和重复形成,消耗活性物质和电解质,进而降低电池的库仑效率并导致容量快速衰减。设计具有快速传质和足够存储空间的基体是促进锂的均匀沉积、减少SEI重复生长和死锂形成的有效方法。具有二维层状结构的MXenes由于具有优异的导电性、可调控的层间距、丰富的亲锂表面官能团和优异的机械性能而被认为是良好的锂金属宿主。本综述首先总结了MXenes的多种合成方法,包括借助外部试剂蚀刻前驱体MAX相、化学气相沉积、UV诱导蚀刻和机械化学等方法。不同的合成方法会形成不同表面官能团和层状结构的MXene,进而影响锂金属的成核和生长行为。随后,介绍了纯MXene,MXene-碳杂化物和MXene-非碳杂化物在锂金属负极宿主中的应用,主要关注其缓解锂金属负极体积变化并抑制锂枝晶生长方面的性能。最后,对一些改性策略和潜在的研究方向进行了总结和展望。

摘要：金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量,是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而,锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略,可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点,在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质,综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展;最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题,并提出加强基础理论研究等建议。

摘要：不理想的枝晶生长、不稳定的固体电解质界面以及循环过程中锂金属体积的无限变化等问题极大地限制了锂金属电池的实际应用。作者设计了亲锂Ti_(3)C_(2)T_(x)-MXene修饰的炭泡沫(Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX@CF)来调节锂的成核行为,有效缓解锂金属负极的体积变化,获得了高稳定的锂金属电池。其中,三维的CF骨架具有较高的比表面积,不仅降低了局部电流密度来避免浓度极化,而且为缓解循环过程中的体积膨胀提供了足够的空间。更重要的是,丰富的官能团赋予了Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX优异的亲锂性,能够有效的降低锂成核过电位,引导锂均匀沉积而不形成锂枝晶,并使负极表面的界面保持稳定。因此,组装的Li-Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX@CF对称电池在电流密度为4 mA cm^(-2),容量为1 mAh cm^(-2)时,表现出超过2400 h的良好循环稳定性,过电位低至9 mV。此外,Li-Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX@CF||NCM111全电池在1 C下循环330圈后仍能提供129.6 mAh g^(-1)的容量,表明Ti_(3)C_(2)T_(x)-MX对构建稳定的锂金属负极具有重要意义。

摘要：锂金属负极由于其具有高的理论容量和低的电化学电势,被认为是高能量密度可充电电池中最具吸引力和前景的负极。然而,其在镀/脱锂过程中,锂枝晶的不可控生长导致了电极的快速退化和严重的安全问题,严重阻碍了其实际应用。为了解决这些问题,使用具有高电导率、优异机械性能和丰富表面官能团的二维过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)来诱导锂均匀成核并缓解体积变化,最终抑制锂枝晶的形成。本文综述了用于金属锂负极的MXene基纳米材料的最新进展。首先介绍了金属锂负极的技术挑战。然后从三个方面总结了MXene基纳米材料用于抑制锂枝晶生长和构建稳定金属锂负极的设计和使用:(1)使用结构化负极,如MXene/锂负极、MXene/金属/锂负极、MXene/碳/锂负极、MXene/氧化物/锂负极等;(2)构建人工SEI膜;(3)修饰电解液成分。最后,简要讨论了MXene基纳米材料在下一代锂金属电池应用中的挑战和前景。

摘要：锂离子电池(LIBs)作为目前使用最广泛的二次电池,绝大多数以理论比容量较低的石墨(372 m Ah/g)为负极,已无法满足人们日益增长的对电池储能性能的要求。金属锂因其超高的理论比容量(3 860 m Ah/g)和最低的还原电势(-3.04 V,相比于氢标准电极)被看作是下一代高能量密度可充电锂电池最理想的负极材料。尤其是当金属锂与硫、氧组成锂-硫或锂-氧电池体系时,其理论能量密度远超锂离子电池,受到研究者的广泛关注。然而,库伦效率低和稳定性差一直是限制锂金属电池商业化应用的关键因素。当金属锂直接用作电池负极时,其易与电解液反应,在其表面形成一层脆弱的固态电解质中间相(SEI)膜。电池循环时,负极体积膨胀会破坏SEI膜,诱导锂枝晶和“死锂”形成,造成不可逆的容量损失。此外,锂枝晶生长至一定程度后会刺穿隔膜,导致电池内部短路甚至发生爆炸,引发严重的安全问题。为了解决上述问题,研究者们在锂金属负极失效机制、结构设计及界面强化等方面进行了许多探索。一些研究枝晶生长的理论模型如Chazalviel-Brissot模型、Yamaki模型和静电屏蔽模型等已受到广泛认可。在此基础上,研究者们尝试通过设计三维集流体、表面改性集流体以及构筑原位或人工SEI膜的方式来抑制锂枝晶生长和缓解体积效应,并取得了一定成果。本文系统地介绍了几种典型的锂金属负极失效机制,着重总结了近年来研究者们在锂金属负极结构设计和界面强化方面的研究进展,最后分析了锂金属电池研究中仍存在的问题并给出了一些建议,以期为早日实现锂金属电池的商业化应用提供参考。

摘要：金属锂具有超高理论容量和最低还原电位,被认为是高能量密度电池负极材料的“圣杯”。然而,由于金属锂无宿主、锂枝晶不可控生长、固态电解质界面膜(SEI膜)不稳定以及“死锂”累积等一系列问题,严重制约着金属锂负极的实用化进程。生物质炭材料具有高机械强度、高导电性、高比表面积和良好的化学稳定性等特性,是金属锂宿主材料的理想候选者之一。本文综述了近年来利用生物质炭材料构建金属锂沉积骨架的研究进展。通过讨论生物质炭材料的结构、孔隙大小、孔隙率及亲锂基团修饰等对抑制金属锂枝晶生长,构筑循环稳定金属锂负极的影响,总结生物质炭材料的合理设计和应用,提出了生物质炭材料未来发展的趋势以及所面临的挑战。