【干货】金属锂负极全面解读(上篇)

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说起锂离子电池就不得不提起日本的索尼公司,在1992年日本索尼公司推出了全球首款以碳材料为负极,含锂金属氧化物为正极的商用锂离子电池,这也标志着一个全新储能时代的到来,随后经过几十年的发展,锂离子电池的各项性能逐步提高,几乎已经占领了整个消费电子市场。其实在索尼公司推出锂离子电池之前,采用金属锂负极的锂电池已经经过了数十年的发展,但是受制于金属锂负极的安全性问题,使得当时的锂电池只能作为一次电池使用,并且高昂的成本也极大的限制了锂电池的应用领域,因此在消费级市场很难见到锂电池的身影。

随着索尼推出首款商业化锂离子电池,锂离子电池在与锂电池的竞争中暂时占据了上风,但是随着人们对能量密度要求的不断提高,锂离子电池已经很难满足日益提高的比能量的需求,于是具有高比容量天然优势的金属锂负极上演了一场“王者归来”大戏,今天我们就带大家跟随斯坦福大学的Dingchang Lin,Yayuan Liu和Yi Cui的脚步,一起对金属锂负极进行一次全面而深刻的剖析。

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金属锂的比容量为3860mAh/g,电化学势为-3.04V(vs标准氢电极),是一种非常理想的锂电池负极材料。如上图所示,目前锂离子电池的比能量可达250Wh/kg,但是如果我们将锂离子电池的负极更换为金属锂,那么我们就可以获得440Wh/kg的比能量,而像Li-S和Li-空气电池比能量则能够达到650Wh/kg和950Wh/kg的比能量。要使用金属锂作为锂离子电池的负极材料,我们还需要克服一下几个难题:安全性和循环寿命。困扰金属锂负极的主要问题主要是锂枝晶的问题,如下图所示,在循环过程中,由于局部极化的因素,使得金属锂表面生长锂枝晶,当锂枝晶生长到一定程度的时候就可能穿透隔膜,引发安全问题,此外如果锂枝晶发生断裂,就会形成“死锂”,造成电池容量损失,因此锂枝晶是挡在金属锂负极应用路上最大的障碍。

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    对于枝晶问题我们并不陌生,在传统的金属电解生产中,例如电解工艺生产Cu、Ni和Zn等,枝晶生长问题是最为常见的难题,因此学者们对于金属在电镀过程中枝晶问题有着丰富的经验,可以用来对理解锂枝晶问题。一般来说我们认为,在电镀的过程中正负电极之间会形成一个阳离子的浓度梯度,受限于溶液中离子的扩散速度,当电流密度达到一个特定值J*时,在阴极附近的阳离子消耗殆尽,此时会在阴极形成局部的电荷过剩,从而导致枝晶的产生。

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