人類正面臨化石能源的日益枯竭和對可持續(xù)能源的不斷增長的需求的嚴(yán)峻問題
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-25 17:04
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當(dāng)今世界上，人類正面臨化石能源的日益枯竭和對可持續(xù)能源的不斷增長的需求的嚴(yán)峻問題，從而推動(dòng)了對低成本、環(huán)保和高性能能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究。同時(shí)，隨著電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)應(yīng)用需求的快速增加，因此可以提供高能量密度、穩(wěn)定的可循環(huán)性和優(yōu)異成本效益的電池的市場需求越來越大。其中，鋰離子電池因具有高能量密度、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，而成為最有前景的能量存儲(chǔ)設(shè)備之一。然而，目前最先進(jìn)的鋰離子電池仍然不能滿足日益增長的高能量密度需求，因?yàn)橛娩嚱饘僮鳛殛枠O時(shí)主要存在樹枝狀晶形生長，將可能出現(xiàn)短路（導(dǎo)致熱失控）和低庫侖效率、循環(huán)壽命差的問題。
在開發(fā)鋰金屬負(fù)極以及其他高容量正極化學(xué)品（如硫和氧）時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)利用固體電解質(zhì)(SSE)取代傳統(tǒng)電解液時(shí)具有很好的安全性，因此開發(fā)基于固體電解質(zhì)的鋰金屬電池或許可以從根本上解決安全性的問題。同時(shí)，研究結(jié)果表明在室溫下的離子電導(dǎo)率就高于10-3Scm-1的超離子導(dǎo)體。然而，SSE與電極的相容性差產(chǎn)生的高界面阻抗的問題，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。目前，科研人員已經(jīng)提出了采用先進(jìn)的分離器、電解質(zhì)添加劑和正溫度系數(shù)（PTC）改進(jìn)的集電器等新方法以提高鋰金屬電池的安全性。因此，現(xiàn)在迫切需要開發(fā)出具有更高能量密度、更長循環(huán)壽命和更高安全性的鋰金屬電池的新化學(xué)品或技術(shù)。
【成果簡介】
最近，Chem在線刊登了美國斯坦福大學(xué)的崔屹教授和中國上?？萍即髮W(xué)的劉巍研究員（共同通訊作者）、上?？萍即髮W(xué)博后夏水鑫（第一作者）和上海科技大學(xué)15級本科生吳昕晟（共同一作）等人總結(jié)的關(guān)于全固態(tài)鋰金屬電池的發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景的綜述。題目是“PracticalChallengesandFuturePerspectivesofAll-Solid-StateLithium-MetalBatteries”。在這篇綜述中，首先總結(jié)了高導(dǎo)電固體電解質(zhì)(SSE)的主要挑戰(zhàn)和最新發(fā)展，包括聚合物、無機(jī)和復(fù)合材料，以及用于下一代高能量密度的鋰電池，從基礎(chǔ)理解到技術(shù)創(chuàng)新。其次，總結(jié)了關(guān)于SSE和電極界面問題的策略。接著，介紹了鋰金屬負(fù)極與鋰嵌入化合物、硫和氧正極結(jié)合的ASSLMBs的當(dāng)前進(jìn)展和實(shí)際挑戰(zhàn)。最后，還展望了基于鋰金屬負(fù)極的ASSLMBs的未來前景。
1、鋰離子電池的發(fā)展歷史簡介
離子電池(LIBs)的發(fā)展經(jīng)歷了從基于鋰(Li)-金屬負(fù)極的Li-金屬電池(LMBs)到使用鋰-嵌入化合物電極的LIBs，然后到LMBs的復(fù)興過程。
2、鋰電池的固態(tài)電解質(zhì)
2.1、固態(tài)電解質(zhì)(SSE)在實(shí)際應(yīng)用中存在以下的問題：
（1）SSE的低離子電導(dǎo)率，特別是在低溫下；
（2）電極—電解質(zhì)的固固界面處的界面電阻大；
（3）與電極的電化學(xué)兼容性差，如鋰金屬負(fù)極和高電壓正極材料；
（4）電極的物理穩(wěn)定性下降導(dǎo)致大的界面應(yīng)力變化。
2.2、對固態(tài)電解質(zhì)的基本理解
SSE中的鋰離子傳輸主要分為兩類：聚合物和無機(jī)材料中的離子傳輸。SSE中離子電導(dǎo)率的溫度依賴性通常由Arrhenius（對于晶體材料）或VogelTammann-Fulcher(VTF)方程（對于無定形材料）來模擬。
（A）SPE的非晶相中的Li離子傳導(dǎo)；
（B）SPE結(jié)晶相中的Li離子傳導(dǎo)。
2.3、電解質(zhì)—電極界面的鋰離子傳輸
電解質(zhì)和電極之間的高界面電阻對電池的整體性能具有顯著的影響，阻礙了ASSLBs發(fā)展。ASSLBs的電化學(xué)反應(yīng)不同于使用具有固—液界面的液體電解質(zhì)的鋰電池，其通過固、固電解質(zhì)—電極界面進(jìn)行。鋰離子是通過它們的互連區(qū)域從電解質(zhì)擴(kuò)散到電極，并在接觸電解質(zhì)-電極界面處發(fā)生與活性材料和電子的氧化還原反應(yīng)。
（A）正極—電解質(zhì)界面處形成的Li缺陷層；
（B）Li減少的分解層面對Li-金屬負(fù)極；
（C）各種SSE材料的電化學(xué)穩(wěn)定性區(qū)域。
2.4、電解質(zhì)—電極界面的觀察
通過納米工程和材料設(shè)計(jì)技術(shù)了解和改善電解質(zhì)—電極界面的行為對于構(gòu)建具有改善的電化學(xué)性能的安全鋰電池是絕對有必要的。同時(shí)，在原子尺度上實(shí)時(shí)觀察電池中發(fā)生的界面演變，將更有助于研究人員對電池發(fā)生的變化的了解和掌握。
在開發(fā)鋰金屬負(fù)極以及其他高容量正極化學(xué)品（如硫和氧）時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)利用固體電解質(zhì)(SSE)取代傳統(tǒng)電解液時(shí)具有很好的安全性，因此開發(fā)基于固體電解質(zhì)的鋰金屬電池或許可以從根本上解決安全性的問題。同時(shí)，研究結(jié)果表明在室溫下的離子電導(dǎo)率就高于10-3Scm-1的超離子導(dǎo)體。然而，SSE與電極的相容性差產(chǎn)生的高界面阻抗的問題，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。目前，科研人員已經(jīng)提出了采用先進(jìn)的分離器、電解質(zhì)添加劑和正溫度系數(shù)（PTC）改進(jìn)的集電器等新方法以提高鋰金屬電池的安全性。因此，現(xiàn)在迫切需要開發(fā)出具有更高能量密度、更長循環(huán)壽命和更高安全性的鋰金屬電池的新化學(xué)品或技術(shù)。
【成果簡介】
最近，Chem在線刊登了美國斯坦福大學(xué)的崔屹教授和中國上?？萍即髮W(xué)的劉巍研究員（共同通訊作者）、上?？萍即髮W(xué)博后夏水鑫（第一作者）和上海科技大學(xué)15級本科生吳昕晟（共同一作）等人總結(jié)的關(guān)于全固態(tài)鋰金屬電池的發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景的綜述。題目是“PracticalChallengesandFuturePerspectivesofAll-Solid-StateLithium-MetalBatteries”。在這篇綜述中，首先總結(jié)了高導(dǎo)電固體電解質(zhì)(SSE)的主要挑戰(zhàn)和最新發(fā)展，包括聚合物、無機(jī)和復(fù)合材料，以及用于下一代高能量密度的鋰電池，從基礎(chǔ)理解到技術(shù)創(chuàng)新。其次，總結(jié)了關(guān)于SSE和電極界面問題的策略。接著，介紹了鋰金屬負(fù)極與鋰嵌入化合物、硫和氧正極結(jié)合的ASSLMBs的當(dāng)前進(jìn)展和實(shí)際挑戰(zhàn)。最后，還展望了基于鋰金屬負(fù)極的ASSLMBs的未來前景。
1、鋰離子電池的發(fā)展歷史簡介
離子電池(LIBs)的發(fā)展經(jīng)歷了從基于鋰(Li)-金屬負(fù)極的Li-金屬電池(LMBs)到使用鋰-嵌入化合物電極的LIBs，然后到LMBs的復(fù)興過程。
2、鋰電池的固態(tài)電解質(zhì)
2.1、固態(tài)電解質(zhì)(SSE)在實(shí)際應(yīng)用中存在以下的問題：
（1）SSE的低離子電導(dǎo)率，特別是在低溫下；
（2）電極—電解質(zhì)的固固界面處的界面電阻大；
（3）與電極的電化學(xué)兼容性差，如鋰金屬負(fù)極和高電壓正極材料；
（4）電極的物理穩(wěn)定性下降導(dǎo)致大的界面應(yīng)力變化。
2.2、對固態(tài)電解質(zhì)的基本理解
SSE中的鋰離子傳輸主要分為兩類：聚合物和無機(jī)材料中的離子傳輸。SSE中離子電導(dǎo)率的溫度依賴性通常由Arrhenius（對于晶體材料）或VogelTammann-Fulcher(VTF)方程（對于無定形材料）來模擬。
（A）SPE的非晶相中的Li離子傳導(dǎo)；
（B）SPE結(jié)晶相中的Li離子傳導(dǎo)。
2.3、電解質(zhì)—電極界面的鋰離子傳輸
電解質(zhì)和電極之間的高界面電阻對電池的整體性能具有顯著的影響，阻礙了ASSLBs發(fā)展。ASSLBs的電化學(xué)反應(yīng)不同于使用具有固—液界面的液體電解質(zhì)的鋰電池，其通過固、固電解質(zhì)—電極界面進(jìn)行。鋰離子是通過它們的互連區(qū)域從電解質(zhì)擴(kuò)散到電極，并在接觸電解質(zhì)-電極界面處發(fā)生與活性材料和電子的氧化還原反應(yīng)。
（A）正極—電解質(zhì)界面處形成的Li缺陷層；
（B）Li減少的分解層面對Li-金屬負(fù)極；
（C）各種SSE材料的電化學(xué)穩(wěn)定性區(qū)域。
2.4、電解質(zhì)—電極界面的觀察
通過納米工程和材料設(shè)計(jì)技術(shù)了解和改善電解質(zhì)—電極界面的行為對于構(gòu)建具有改善的電化學(xué)性能的安全鋰電池是絕對有必要的。同時(shí)，在原子尺度上實(shí)時(shí)觀察電池中發(fā)生的界面演變，將更有助于研究人員對電池發(fā)生的變化的了解和掌握。
