锂金属负极的挑战与改善策略研究进展

刘凡凡，张志文，叶淑芬，姚雨，余彦,2,＊

1中国科学技术大学，中国科学院能量转换材料重点实验室，材料科学与工程系，合肥微尺度物质科学国家研究中心，合肥230026

2中国科学院洁净能源创新研究院，辽宁 大连 116023

1 引言

随着电子产品的蓬勃发展和汽车电动化的进展，社会对电池储能器件的比能量需求日益增高，近20年来，以石墨为负极，钴酸锂(LiCoO2)和磷酸铁锂(LiFePO4)以及三元材料为正极的锂离子电池已经得到广泛的应用和发展1-4。然而，由于传统石墨负极材料较低的理论比容量(372 mAh·g−1)以及较高的电压平台，造成传统锂离子电池无法进一步突破其比能量瓶颈(260 Wh·kg−1)5。因此我们需要进一步去探索具有高理论比容量和低电极电势的负极材料，从而在电池材料体系上使电池达到更高的比能量6,7。近些年来，由于锂金属具有高理论比容量(3860 mAh·g−1)和低电极电势(−3.04 VvsSHE (standard hydrogen electrode))等特点，锂金属负极从而得到电池研究学者们的广泛关注。将锂金属负极匹配过渡金属氧化物正极(LMO)构成锂金属电池时，其比能量可以提升到约440 Wh·kg−1。在锂硫(Li-S)和锂氧(Li-O2)电池体系中，其比能量可以进一步分别达到～650和～950 Wh·kg−1，其比能量对比结果如图1a所示8−10。

图1 (a)锂离子电池和锂金属电池的比能量对比；(b)锂金属电池中锂负极存在的问题Fig. 1 (a) The specific energy comparison between Li ion battery and Li metal battery;(b) the main problems of Li anode in Li metal battery.

然而，锂金属作为电池负极的应用仍然面临着诸多问题。在上个世纪七八十年代，锂二次电池便是使用金属锂作为负极，但是由于其存在严重的安全问题而被弃用11,12。其中，锂枝晶便是锂金属电池使用过程中的主要问题所在，在电池多次充放电后，锂金属表面会不断生长出锂枝晶，大量枝晶对隔膜具有较大的应力导致隔膜被刺穿，从而引发电池短路、着火、产气爆炸等热失控问题13,14。……