摘要：锂金属具有极高的理论比容量和极低的氧化还原电极电势,成为了新一代高比能二次电池最理想的负极材料。然而,锂金属负极其走向大规模应用仍存在诸多问题与挑战。三维骨架复合负极可以控制金属锂均匀形核,低电流密度下均匀沉积,有望推动锂金属负极的实用化。为了更高效地指导锂金属负极设计和优化,采用相场理论,对三维骨架锂金属负极中比表面积对金属锂沉积过程的作用机制进行了定量分析和探究,发现了比表面积调控金属锂沉积的两阶段作用机理,并提出了基于比表面积参数的三维骨架负极设计与优化方向,从而最大程度发挥三维骨架在调控稳定金属锂负极上的积极作用。

摘要：锂金属以其高比容量和低电极电势,在高能量密度电池领域具有极大潜力,然而界面反应复杂、枝晶生长难以抑制等问题,导致电池易燃易爆、容易击穿短路,极大地限制了锂电池的应用。计算模拟有助于科研工作者认识反应机理、预测筛选电极材料以及优化电池设计,与实验相辅相成。本文对近年计算模拟在锂金属电极中的应用进行综述,重点在于利用分子动力学、第一性原理计算等计算方法,研究界面反应、固体电解质膜以及锂形核。此外,新开发的固态电解质很好地解决了传统锂电池易燃易爆等问题,提高了能量密度,但也存在界面阻力大、传导性能差以及枝晶生长等问题,对此,我们就计算模拟在固态电解质锂电池中锂负极的应用进行综述。最后,我们论述了该领域潜在研究方向。

摘要：通过设计聚合物分子结构,采用热引发自由基聚合方法合成聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMEMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的二嵌段共聚物电解质PEGMEMAm-GMAn-Br(PGA-Br),并研究其电化学性能。结果表明:将PGA嵌段或接枝到聚合物电解质上,可提高聚合物电解质的离子电导率,室温下的离子电导率达1.05×10^(−4)S·cm^(−1)。同时,PGA-Br嵌段共聚物电解质具有较低的玻璃化转变温度(-65℃)、较高的热分解温度、较宽的电化学稳定窗口(5.1 V)和阻燃特性。PGA-Br共聚物电解质组装下的固态Li|Li对称电池具有增强的电极/电解质固-固界面,可实现金属锂均匀沉积,有效抑制锂枝晶的生长。在0.1 C倍率下,基于PGA-Br嵌段共聚物电解质组装的LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(NCM811)|PGA-Br|Li固态全电池可实现较高的首周放电比容量(160.1 mAh·g^(−1)),且循环100周次后容量保持率高达91.5%,库仑效率稳定在98.5%以上。

摘要：随着先进的便携式电子产品、电动汽车、电网储能系统和航天等技术的飞速发展,传统锂离子电池的内在局限性限制了它们在未来巨大能源需求面前的进一步应用。金属锂因其具有高的比容量(3861 mA∙h∙g–1)、最低的电化学势(–3.04 V相对于标准氢电极)和较小的密度(0.534 g∙cm–3),一直被认为是用于下一代高比能可充电池负极材料中的“圣杯”。但是金属锂负极所存在的固有问题几十年来一直阻碍着它的实际应用,主要包括锂枝晶的形成穿刺隔膜所引起的短路,循环过程中无限的体积变化带来的断路现象,以及不稳定的固态电解质界面膜(SEI)造成的性能衰减、效率低下等问题。更严重的是,这些问题在电池实际工作过程中会相互交织影响,导致锂金属电池性能进一步恶化。而以上问题与锂金属负极界面息息相关,基于此,本文对锂金属负极保护设计及研究进展进行了详细的概述。

摘要：限制阴离子的迁移是实现无枝晶且稳定的锂金属负极的有效策略。合理设计用于无枝晶和高性能锂金属负极的阴离子屏蔽复合中间层,制备了基于共价有机框架TpPa-SO_(3)Li的混合基质中间层(CMIs)TpPa-SO_(3)Li@PVDF-HFP。TpPa-SO_(3)Li的带负电荷的磺酸盐有利于保证锂离子的传输,阻碍阴离子的迁移,从而提高锂离子的迁移数,使锂离子通量均匀,实现锂离子的均匀沉积。结果发现,在电流密度为1 mA·cm^(-2)和容量为1 mAh·cm^(-2)时,CMIs改性的Li/Li对称电池的寿命延长了1900 h以上而没有短路故障。当锂金属负极与LiFePO4正极结合时,具有CMIs的组装完整电池具有142.7 mAh·g^(-1)的高容量,即使在1C下循环300次后仍可观察到92%的容量保持率。

摘要：超薄锂金属(≤50μm)是下一代高比能锂金属电池负极选择。然而纯锂质软、易脆,机械加工性较差,导致超薄锂箔的制备工艺复杂、成本高昂;此外相比于较厚的锂金属负极,超薄锂金属负极常呈现更差的电化学循环性能。本文提出一种“自下而上”的策略制备10~50μm厚度可控的超薄还原氧化石墨烯/锂金属(rGO/Li)复合箔材,其结构由大量无序随机的rGO片层非平行排列并均匀分散在锂金属内。首先将还原氧化石墨烯(rGO)粉片与熔融锂金属在200℃下搅拌复合,获得微米级的还原氧化石墨烯/锂复合粉片,之后将复合粉片作为原材料进一步通过反复辊压制备出结构均匀、超薄的复合箔材,该方法具有一定的规模化潜力。不同于其他所报道的rGO层状薄膜结构,在复合箔材中rGO片层随机无序分散形成三维网络,有利于实现锂的均匀沉积/剥离。所制50μm超薄无序结构rGO/Li复合箔材负极在对称电池中以1 mA cm^(-2)、1 mAh cm^(-2)条件在醚基电解液中可稳定循环1600 h以上,在与硫化聚丙烯腈(SPAN)正极组配全电池以0.2 C倍率循环220次后比容量高达~675 mAh g^(-1),优于使用同厚度纯锂负极的电池。

摘要：锂金属因具有高理论比容量和低电化学电位的优势,被认为是锂电池理想的负极材料。然而,锂金属负极受限于枝晶生长和体积膨胀等问题难以实现商业化应用。因此,设计合理的三维骨架对锂金属负极的循环稳定性尤为重要。基于不同金属之间饱和蒸气压的差异和柯肯达尔效应,本工作采用气相脱合金策略制备了含亲锂位点的多孔铜-铟/铋合金骨架,随后通过熔融载锂法制造了预存储锂的复合锂金属负极(3D Cu-InLi-Li和3D Cu-LiBi-Li)用于高倍率锂金属电池。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)等测试手段表征材料的物相组成和微观形貌,并研究铟合金和铋合金作为亲锂活性位点对锂金属负极的电化学性能影响。实验结果表明,气相脱合金法制备的多孔铜电极具有较低的成核过电位,表现出优异的循环稳定性。搭配磷酸铁锂正极,复合锂金属负极在10 C下循环1000次后的可逆比容量分别为65.7 mAh/g(3D Cu-LiBi-Li)和61.9 mAh/g(3D Cu-InLi-L),明显高于商业锂箔对应的循环性能(55.7 mAh/g),表明铟合金和铋合金提升了锂金属负极的循环稳定性。本工作通过气相脱合金法和熔融载锂法制备锂金属负极的方法具有较高的应用价值。

摘要：锂金属负极长期以来一直被认为是储能电池领域的“圣杯”,但负极表面枝晶的生长和锂金属的持续损耗使得锂金属电池无法稳定循环,甚至存在安全隐患,阻碍了其实际应用。为了解决枝晶生长和负极锂的损耗问题,研究人员提出了不同的界面改性方法。其中有机聚合物具有官能团丰富和结构多样的特点,在诱导锂离子均匀沉积和缓解体积效应方面具备优势,在锂金属负极改性中受到研究者青睐。本文分别从集流体改性、隔膜改性以及人工SEI膜构建的角度,介绍了聚合物应用于锂离子电池界面修饰的研究现状、发展趋势以及关键科学问题;分析了用于界面修饰聚合物的结构设计准则,探讨了聚合物的界面修饰方法,阐明了聚合物界面抑制枝晶生长、缓解体积效应的机制,最后对金属锂负极未来的研究方向和发展趋势进行了展望。

摘要：由于相对较低的能量密度,商用锂离子电池(LIB)难以满足便携式电子和电动汽车对储能设备能量密度日益增长的需求。锂(Li)金属具有高理论比容量(3860 mAh g^(-1))和低的密度(0.59 g cm^(-3)),被认为是下一代高能密度锂电池最具前途的负极之一,如Li-S和Li-O_(2)电池。然而,由于固态电解质界面层的不稳定,导致锂枝晶生长不可控和库伦效率低等问题,限制了锂金属电池的实际应用。石墨烯基材料(GBMs)具有高比表面积、可调节的孔结构和表面化学特性,已被证明可以显著解决上述问题。本文综述了利用石墨烯基材料来保护锂金属负极的各种策略,并详细讨论了在锂金属保护中具有不同功能和作用的石墨烯基纳米材料的合理设计。文中还讨论了石墨烯基纳米材料用于锂金属负极中未来发展面临的挑战和可能的解决方案。

摘要：锂金属负极以其最高的理论比容量(3860m Ah·g-1)和最低的电化学电位(-3.04V(vs SHE))被誉为电池界的"圣杯"。但是锂金属电池的缺点也尤为明显:充放电过程中锂金属电池容易在负极不均匀沉积从而产生锂枝晶,锂枝晶的产生会造成固体电解质介面(SEI)膜的持续破裂,不稳定的SEI膜又会加剧锂枝晶的形成,进而刺穿隔膜,导致电池的循环性能下降,产生安全隐患,所以采取相应的措施在负极均匀沉积金属锂尤为重要。本研究使用商业化的铜网,通过碱性溶剂的氧化和空气气氛煅烧,在铜网表面形成均一的亲锂氧化铜纳米片阵列。铜网的3D结构可以有效减小电流密度,亲锂的纳米片阵列可以降低锂的沉积过电势,均匀沉积锂,有效抑制锂枝晶的产生。在电流密度为3mA·cm–2的半电池测试中,稳定循环230圈后库伦效率稳定维持在99%以上;搭配磷酸铁锂(LFP)全电池测试,在1C(0.17mA×mg-1)条件下可稳定循环300圈,容量保持率为95%。本研究为锂金属负极3D集流体的设计提供了新思路。