为什么说金属锂是理想的锂离子电池负极材料？
来源：宝鄂实业
2019-07-14 14:16
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电动汽车续航里程的持续提升也推动着动力电池能量密度的提升，目前普遍使用的石墨负极材料的理论比容量仅为372mAh/g，远远无法满足高比能电池的设计需求，因此容量更高的Si和SiO材料体系成为目前的研究热点，然而即便是容量更高的Si负极也无法满足400Wh/kg，甚至500Wh/kg下一代高比能电池的需求，因此金属Li又进入到人们的视野。金属锂的理论比容量为3860mAh/g，本身又具有极佳的导电性，因此是一种理想的锂离子电池负极材料，然而金属锂负极在使用过程中面临着金属锂枝晶和死锂等问题，不仅严重影响金属锂电池的循环性能，还会造成严重的安全隐患。
锂离子电池中电解液为酯类溶剂体系，反应活性比较高，因此不适合金属锂电池，而醚类溶剂则相对比较稳定，研究表明醚类电解液能够很好的抑制金属锂枝晶的生长。除了溶剂体系外，锂盐的选择也对金属锂负极的性能有着显著的影响，例如高浓度的LiFSI能够显著的提升锂金属电池的库伦效率。
由于金属锂是一种非常活泼的金属，具有非常强的还原能力，因此金属锂在沉积过程中的致密度就非常关键，更加致密的结构能够有效的减少金属锂与电解液之间的接触面积，减少副反应的发生，对于提升库伦效率和循环寿命都有积极的影响。
锂离子电池中电解液为酯类溶剂体系，反应活性比较高，因此不适合金属锂电池，而醚类溶剂则相对比较稳定，研究表明醚类电解液能够很好的抑制金属锂枝晶的生长。除了溶剂体系外，锂盐的选择也对金属锂负极的性能有着显著的影响，例如高浓度的LiFSI能够显著的提升锂金属电池的库伦效率。
由于金属锂是一种非常活泼的金属，具有非常强的还原能力，因此金属锂在沉积过程中的致密度就非常关键，更加致密的结构能够有效的减少金属锂与电解液之间的接触面积，减少副反应的发生，对于提升库伦效率和循环寿命都有积极的影响。
低温透射电镜技术是近年来兴起的一种观测技术，在极低的温度下能够最大限度的避免被观测材料被电子束破坏，因此这也让原位观测锂枝晶的产生和生长成为了可能。从下图能a能够看到在普通的碳酸酯类电解液中金属锂沉积会形成条状结构，无序的生长的锂枝晶在沉积层内产生了大量的孔隙，而在SSEE电解液中，金属锂沉积层主要是由锂枝晶和锂纳米片组成，而在BSEE电解液中，金属锂沉积层则完全是由无定形的锂纳米片结构构成。
为了分析电解液对于金属锂沉积行为的影响，Judith Alvarado采用密度函数的方法对于金属锂在BSEE电解液（LiSFI+LiTSFI，溶剂DME）中的沉积行为进行了研究，计算显示在金属锂表面的首先发生的反应是LiFSI的还原和分解，然后才发生LiTFSI的分解。虽然LiTFSI分解反应比较滞后，但是在电解液中LiTFSI能够吸引负极表面的电子，并将LiFSI从负极表面挤走，减缓LiFSI分解速度，从而在金属锂的表面形成一层更加均匀和更加稳定的SEI膜，有利于金属锂电池循环性能的提升。
半电池中锂是过量的，因此在循环过程中副反应导致的锂损失并不会反应在容量损失上，因此Judith Alvarado以Cu箔替代金属锂，从而在电池内部营造一个有限锂的环境。从下图中我们能够看到在普通的碳酸酯类电解液中循环的电池，仅仅经过30个循环后可逆容量就下降为0。而采用BSEE电解液的电池在经过54次循环后，可逆容量仍然达到90.9mAh/g，库伦效率达到98.6%，显著好于其他电解液。从这几种电解液的对比可以发现，虽然这几种电解液的锂盐总浓度比较接近，但是循环性能却有着巨大的差别，这表明LiTFSI/LiSFI的比例是影响电池循环性能的更为关键的因素。
