近日，beat365何欣特聘研究員在Nature Reviews Materials發(fā)表了題為“The passivity of lithium electrodes in liquid electrolytes for secondary batteries”的研究論文。該文章從一個(gè)稍微不同的角度對發(fā)生在鋰電極-液態(tài)電解質(zhì)界面的反應(yīng)進(jìn)行了深入研究，參考了金屬上腐蝕和鈍化現(xiàn)象的一般概念，并重新審查了相應(yīng)的、成熟的電化學(xué)理論和模型。
鋰金屬具有很高的理論比容量(3,860 mAh g?1)和極低的氧化還原電位(相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)的?3.040 V)，因此可以提供較高的比能(500 Wh kg?1)。因此，早在20世紀(jì)60年代就提出并篩選了鋰金屬作為高能量密度電池系統(tǒng)的負(fù)極。盡管鋰在液態(tài)電解質(zhì)中極為活躍，但由于表面保護(hù)膜的快速增長，它仍然相對穩(wěn)定。理想的鈍化膜必須滿足以下先決條件：它應(yīng)該保護(hù)鋰金屬表面不與電解質(zhì)接觸；允許鋰離子（Li+）在膜上快速傳輸；抑制鋰和電解質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移；防止鋰枝晶的成核和生長；并符合鋰剝離和沉積期間的鋰表面形態(tài)變化。創(chuàng)建這樣一個(gè)理想的鈍化膜需要深入了解膜的組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其在電池單元中的基本功能和操作之間的關(guān)系。
一些關(guān)于鋰金屬陽極的優(yōu)秀評論文章已經(jīng)發(fā)表，這些文章主要集中在先進(jìn)的（主）結(jié)構(gòu)以及人工保護(hù)層的設(shè)計(jì)上?；诖?，beat365的何欣特聘研究員在本綜述中，從一個(gè)稍微不同的角度對發(fā)生在鋰電極-液態(tài)電解質(zhì)界面的反應(yīng)進(jìn)行了深入研究，參考了金屬上腐蝕和鈍化現(xiàn)象的一般概念，并重新審查了相應(yīng)的、成熟的電化學(xué)理論和模型。值得注意的是，盡管與其他金屬在水和非水電解質(zhì)中觀察到的表面現(xiàn)象有相似之處和類似之處，但金屬鋰還沒有從腐蝕科學(xué)的角度進(jìn)行徹底研究。在這里，何欣研究員通過討論（可逆的）Li+在瞬間形成的鈍化層上的轉(zhuǎn)移，通常被稱為固體電解質(zhì)間相（SEI），在腐蝕科學(xué)和電池電化學(xué)之間建立一座橋梁。將這些考慮與以材料科學(xué)為導(dǎo)向的方法結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)精心設(shè)計(jì)的鈍化層或人工夾層，這些鈍化層或人工夾層可以在原位（即在電池中）或非原位（即在電池組裝前）獲得，它們可以抑制連續(xù)的電解質(zhì)分解和鋰消耗。文章最后，提供了一份理想的鈍化層的愿望清單，并確定了可能導(dǎo)致在商業(yè)電池單元中部署金屬鋰陽極的知識差距和研究方向。
鋰金屬電池商業(yè)應(yīng)用的相關(guān)參數(shù)
未來，合適的金屬鋰表面的腐蝕保護(hù)層需要注意以下問題：
1.對于電子和液體電解質(zhì)，界面相必須是“真正的”絕緣體。
2.必須具有高的Li離子導(dǎo)電性，以允許足夠快的和均勻的Li傳輸，同時(shí)在與液體電解質(zhì)的界面上提供有利的Li離子脫溶動力學(xué)，以便隨后進(jìn)行Li沉積和剝離。
3.應(yīng)該有足夠高的靈活性，以承受體積變化，以及高的機(jī)械穩(wěn)定性，以避免斷裂，從而使新鮮的鋰暴露在電解液中，這將導(dǎo)致進(jìn)一步的鋰腐蝕。
4.鋰金屬電極目前的局限性可以通過實(shí)現(xiàn)自發(fā)形成的，即腐蝕誘導(dǎo)的鋰腐蝕保護(hù)層來解決，該保護(hù)層可以提供所有需要的功能，例如，通過基于腐蝕、材料和電池科學(xué)家的綜合方法來調(diào)整電解質(zhì)成分和/或鋰金屬表面。
5.除了安全性之外，在商業(yè)電池中應(yīng)用金屬鋰負(fù)極的決定性參數(shù)是CE和過電位，它們決定了電池中的鋰和電解質(zhì)的數(shù)量，以便在長期循環(huán)時(shí)達(dá)到一定的容量保持。
原文鏈接如下：
https://www.nature.com/articles/s41578-021-00345-5
來源：何欣
審核：鈕大文
編輯：高敏
2021年8月26日
