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锂电电池市场分析之金属锂负极全面解读

来源：新能源Leader 发布日期：2017-04-10 13:49

电池锂电电池

2.纳米界面工程

该方法的核心观念是在SEI膜和金属锂负极之间搭建一层“脚手架”，“脚手架”具有很好的化学稳定性和机械强度，能够允许锂离子通过，在充放电的过程中“脚手架”能够随着SEI膜移动，从而防止SEI膜破裂，抑制锂枝晶的生长。例如在金属锂表面覆盖一层中空碳纳米球，如下图所示，则金属锂负极在充放电会形成柱状结构，而不是锂枝晶。通过该方法处理金属锂负极可以获得很好的库伦效率和循环稳定性。在选择“脚手架”材料时我们需要尽可能选择低电导率材料，以防止金属锂直接在上面沉积。

3.均匀Li+流负极结构设计

Li+在金属锂负极表面不均匀的分布是造成锂枝晶生长的重要原因，为了抑制锂枝晶，我们可以通过增加锂负极与电解液的接触面积，降低电流密度，从而使得Li+分布更加均匀。例如将铜集流体设计称为具有亚微米凸起的结构，可以极大的增加金属锂负极的比表面积，如下图h所示，Li+在电极表面分布更加均匀，从而避免了锂枝晶的生长。除此之外，高比表面积的石墨材料，例如石墨烯和碳纤维也可以用作集流体，此外高浸润性的涂层隔膜也有助减少Li+分布的不均匀性。

限制锂负极的体积膨胀

对于金属锂而言影响其循环性能的另一大问题就是充放电过程中巨大的体积膨胀，为了尽可能的减少金属锂负极的体积变化，人们开始寻找能够储存金属锂的载体材料。在一项研究中人们利用Li辅助还原氧化石墨烯，制备了层状还原氧化石墨烯，将该材料的边缘与熔融的金属Li接触，Li就会在毛细作用下进入到材料之中。该Li/还原氧化石墨烯复合材料可以将负极的体积变化控制在20%以内，提高了电池的循环性能，降低了电池的极化，并成功抑制了锂枝晶的产生。

引导Li在负极电镀

在Li-LMO电池中，锂被存储在了正极材料之中，理论上负极在电池组装的时候可以不含锂，但是无锂负极面对的一大挑战就是金属锂在负极表面随机成核和生长，会导致负极镀锂不均匀，以及锂枝晶产生等问题。为了解决这一问题，其中一个办法是在负极预先植入晶种，从而引导锂电镀。研究显示，Li在不同的金属基体上成核的过电势也不同，在与Li相互不溶的金属基体(例如Cu)上，Li结晶成核有很多阻碍，而在与Li相互溶解的金属基体(如Ag、Au、Zn等)则完全没有结晶成核阻碍，基于上述研究成果，人们设计了中空碳纳米胶囊与Au晶种的混合结构，Au晶种能够保证Li在碳纳米胶囊内部成核和长大，碳纳米胶囊则能够保证稳定的SEI膜结构。