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超豪華陣容！十余家頂級(jí)機(jī)構(gòu)聯(lián)合署名EES綜述電池中使用鋰金屬的策略

近日，包括德國烏爾姆亥姆霍茲研究所（HIU）、德國航空航天中心（DLR）、德國明斯特大學(xué)（WMU）、德國于利希研究中心（FZJ）、德國亥姆霍茲明斯特研究所（HI MS）、卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ANL）、美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）、美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）、麻省理工學(xué)院（MIT）、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)（TAMU）、斯坦福大學(xué)（Stanford）在內(nèi)的十余家頂級(jí)單位聯(lián)合署名發(fā)表綜述，陣容超級(jí)豪華，其中共同一作有四位，通訊作者有三位，小編帶大家看一下這篇超級(jí)綜述都講了哪些內(nèi)容。

在鋰離子電池中使用鋰金屬負(fù)極有望獲得最高的理論能量密度，但循環(huán)過程中鋰負(fù)極形態(tài)穩(wěn)定性和庫侖效率較差，尤其是在液態(tài)電解液中。與固體電解質(zhì)相比，液態(tài)電解液具有離子電導(dǎo)率高和負(fù)極潤濕性好的優(yōu)點(diǎn)，但是在循環(huán)過程中鋰金屬的體積會(huì)發(fā)生變化。由于鋰的不均勻沉積和溶解導(dǎo)致容量快速衰減是鋰金屬負(fù)極與液態(tài)電解液組合面臨的主要障礙。

在此，德國烏爾姆亥姆霍茲研究所Arnulf Latz、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Khalil Amine以及美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室Robert Kostecki（共同通訊）等人討論了實(shí)驗(yàn)和理論角度上如何為二維金屬鋰的可逆循環(huán)提供可能的途徑。

因此，作者首先討論了在納米尺度上對金屬鋰成核、沉積和剝離的認(rèn)識(shí)的改進(jìn)。由于固體電解質(zhì)界面相(SEI)在鋰形態(tài)中起著關(guān)鍵作用，作者討論了如何進(jìn)行適當(dāng)?shù)腟EI設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)，重點(diǎn)介紹了傳統(tǒng)和（局部）高濃度電解質(zhì)在各自SEIs方面的最新進(jìn)展。

最后討論了人工界面和三維主體框架，它們在電極水平上減輕形態(tài)不穩(wěn)定性和抑制大的形狀變化方面具有應(yīng)用前景。

圖1. 鋰成核、電鍍和剝離行為示意圖

在穩(wěn)定SEI方面，作者指出不僅可以調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)液態(tài)電解質(zhì)，還可以通過具有獨(dú)特溶劑化行為的高濃度電解液來解決。改進(jìn)的原位形成SEI和人工中間相也是另外可取的途徑；在體積變化方面，電極框架提供了一種選擇，但不適用于可充電鋰金屬電池，因?yàn)樵撾姵匾笙拗七^量的鋰甚至無負(fù)極。

同時(shí)由于成本原因，設(shè)計(jì)合理、確保壽命的框架可能難以商業(yè)化。因此，鋰金屬負(fù)極仍面臨巨大挑戰(zhàn)，需要對鋰金屬電池的當(dāng)前發(fā)展有更深入的了解。

圖2. 不同策略改進(jìn)鋰金屬負(fù)極的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

Strategies towards enabling lithium metal in batteries: interphases and electrodes, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE00767J

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