多空间尺度下的金属锂负极表征技术

潘弘毅，李泉，禹习谦,＊，李泓

1中国科学院物理研究所，北京 100190

2中国科学院大学物理科学学院，北京 100049

1 引言

锂离子电池是目前商用电池中能量密度最高的二次电池体系，被广泛应用于消费电子、电动汽车、规模储能等领域。近年来，锂离子电池应用领域细分市场逐渐扩展，如医疗电子、电动工具、无人机、数据中心、国家安全等，不同领域的快速发展推动了锂离子电池技术的进步，同时也对锂离子电池的性能提出了更高的需求。提高电池能量密度是锂电池研发的主要目标，金属锂负极由于具有极高的理论比容量(3865 mAh·g−1)，极低的电极电位(−3.04 Vvs标准氢电位)以及极小的密度(0.54 g·cm−3)等特点，成为备受关注的下一代高能量密度锂二次电池负极。但是金属锂作为负极仍然存在多方面的问题，如安全性、体积变化、倍率、循环性、成本等，实现最终应用需要攻克诸多技术难题。

锂金属极强的化学反应活性导致的副反应和金属锂非均匀沉积导致的枝晶生长等问题，是引起金属锂电池各种失效现象的根本原因。

在基于液态有机电解液的体系中，不均匀的电化学沉积是导致金属锂非均匀成核，锂枝晶生长，死锂的产生等问题的主要原因。另一方面，金属锂负极在充放电过程中存在巨大的体积变化，面容量越高的金属锂负极在电化学过程中体积变化带来的影响越显著1。这些电极的微观结构变化与所伴随的复杂化学反应随着空间尺度的上升而不断演化，在电极乃至电芯层面带来的是电极粉化、界面接触不良、界面阻抗增加、电解液干涸、电池内短路和电池严重产气产热引起的起火爆炸等不良结果2。……