使用純金屬鋰做正極材料會造成電池循環(huán)次數(shù)低下嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-25 09:37
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金屬鋰的能量密度遠遠高于傳統(tǒng)的鋰離子電池這是毋庸置疑的，但是金屬鋰電池的應(yīng)用還需要跨過一道難關(guān)——循環(huán)壽命，在學(xué)術(shù)文章中我們能夠看到不少循環(huán)壽命優(yōu)異的鋰金屬電池，但是這些電池往往都是基于扣式電池，不僅金屬Li近乎無限，電解液也過量非常多，這在商業(yè)鋰金屬電池中都是無法實現(xiàn)的，因此許多文章中的成功往往無法移植到實際生產(chǎn)中。我們以一個扣式電池中加入75ul電解液為例，經(jīng)過計算電解液添加量達到了70g/Ah，而實際商業(yè)化電池中電解液添加量很少會超過3g/Ah，從下圖c我們看到當(dāng)電池的注液量從25g/Ah降低到3g/Ah后循環(huán)壽命迅速降低到了不足10次。
除了電解液量，金屬鋰的過量程度也會對循環(huán)壽命產(chǎn)生顯著的影響，從下圖e我們能夠看到即便是在電解液足量的情況下，金屬Li負極的厚度從250um下降到50um也會使得金屬鋰電池的循環(huán)壽命迅速下降到不足20次，這些現(xiàn)象表明金屬鋰電池的失效主要來自于電解液的消耗和金屬鋰負極的損失。
金屬鋰電池的衰降通常我們認為分為兩個步驟：1）首先電解液在低電勢負極表面發(fā)生還原分解，生成SEI膜；2）隨后Li枝晶開始在金屬鋰的表面生長，因此提升金屬鋰電池的壽命也主要從這兩個方面進行著手。但是由于金屬Li的高反應(yīng)活性使得其界面特性的研究變的異常困難，近年來出現(xiàn)的冷凍透射電鏡技術(shù)為金屬Li負極界面特性的研究開辟了一扇嶄新的大門，對于分析金屬鋰SEI膜和枝晶的生長機理，提升金屬鋰電池的壽命具有重要的意義。
電解液
電解液作為直接和金屬鋰接觸的成分，對于金屬Li枝晶和SEI膜的生長具有重要的影響。在金屬鋰沉積的過程中形成致密的鋰沉積層，對于減少表面積，減少SEI膜的生長具有重要的意義，研究表明在電解液中加入少量的CsPF6，甚至是痕量的H2O都能能夠促進金屬鋰均勻的沉積，但是電解液的添加劑的劣勢在于一旦這些添加劑消耗光后，鋰電池的循環(huán)壽命仍將加速衰降。
目前來看高濃度電解液是解決金屬鋰電池循環(huán)壽命問題的一個比較好方案，高濃度的電解液能夠減少金屬鋰負極表面的濃度梯度，從而抑制鋰枝晶的生長，同時高濃度電解液中大部分溶劑分子都與Li+進行溶劑化，自由分子比較少，因此電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性也大大提高。然而高濃度電解液還存在粘度高、離子電導(dǎo)率低、浸潤性差等問題，為了解決這一問題，人們提出了“局部稀釋”的概念，這種“局部稀釋”電解液既保留高濃度電解液良好的穩(wěn)定性和抑制枝晶生長的特性，還極大的降低了電解液的粘度，提高了浸潤性，并有效降低了成本。
除了電解液量，金屬鋰的過量程度也會對循環(huán)壽命產(chǎn)生顯著的影響，從下圖e我們能夠看到即便是在電解液足量的情況下，金屬Li負極的厚度從250um下降到50um也會使得金屬鋰電池的循環(huán)壽命迅速下降到不足20次，這些現(xiàn)象表明金屬鋰電池的失效主要來自于電解液的消耗和金屬鋰負極的損失。
金屬鋰電池的衰降通常我們認為分為兩個步驟：1）首先電解液在低電勢負極表面發(fā)生還原分解，生成SEI膜；2）隨后Li枝晶開始在金屬鋰的表面生長，因此提升金屬鋰電池的壽命也主要從這兩個方面進行著手。但是由于金屬Li的高反應(yīng)活性使得其界面特性的研究變的異常困難，近年來出現(xiàn)的冷凍透射電鏡技術(shù)為金屬Li負極界面特性的研究開辟了一扇嶄新的大門，對于分析金屬鋰SEI膜和枝晶的生長機理，提升金屬鋰電池的壽命具有重要的意義。
電解液
電解液作為直接和金屬鋰接觸的成分，對于金屬Li枝晶和SEI膜的生長具有重要的影響。在金屬鋰沉積的過程中形成致密的鋰沉積層，對于減少表面積，減少SEI膜的生長具有重要的意義，研究表明在電解液中加入少量的CsPF6，甚至是痕量的H2O都能能夠促進金屬鋰均勻的沉積，但是電解液的添加劑的劣勢在于一旦這些添加劑消耗光后，鋰電池的循環(huán)壽命仍將加速衰降。
目前來看高濃度電解液是解決金屬鋰電池循環(huán)壽命問題的一個比較好方案，高濃度的電解液能夠減少金屬鋰負極表面的濃度梯度，從而抑制鋰枝晶的生長，同時高濃度電解液中大部分溶劑分子都與Li+進行溶劑化，自由分子比較少，因此電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性也大大提高。然而高濃度電解液還存在粘度高、離子電導(dǎo)率低、浸潤性差等問題，為了解決這一問題，人們提出了“局部稀釋”的概念，這種“局部稀釋”電解液既保留高濃度電解液良好的穩(wěn)定性和抑制枝晶生長的特性，還極大的降低了電解液的粘度，提高了浸潤性，并有效降低了成本。
