介电协议使锂金属软包电池具有高能量密度

Josiah02 · 发表于 2024-9-14 21:24:32

电极和电解质之间的界面对电池转换能量的效率有很大影响。近年来，许多旨在开发性能更好的电池的努力都集中在定制电极/电解质界面上，以提高可充电电池的能量密度，尤其是锂金属电池 (LMB)。
LMB 是一种很有前景的电池解决方案，它集成了锂金属阳极，而不是锂离子电池(LiB)通常采用的石墨基阳极。与 LiB 相比，这些电池的能量密度明显更高，充电速度也更快。
尽管如此，迄今为止开发的许多 LMB 都存在重大局限性，例如制造成本高、库仑效率低以及充电过程中锂枝晶的生长。锂枝晶是一种树状锂金属结构，可在电池充电时在阳极表面形成，增加过热和潜在火灾的风险，同时也降低电池的性能。
克服 LMB 这一关键限制的一个可能解决方案是调节 Li +溶剂化结构并设计新的电解质以促进固体电解质界面 (SEI) 的形成并稳定电极/电解质界面。虽然许多研究都专注于这些目标，但很少有研究探讨电池中的介电环境如何有助于稳定/不稳定该界面。
浙江大学和中国其他研究所的研究人员最近开展了一项研究，探讨了这一研究问题。他们的论文发表在《自然能源》杂志上，概述了一种介电协议，可以帮助解决与 LMB 相关的一些问题，从而有可能提高其安全性和可靠性。
“随着电动汽车和储能市场持续增长，对锂离子电池的需求将持续增长，”论文合著者范秀林告诉 TechXplore。“然而，为了实现低碳或无碳经济，我们需要性能优于现有锂离子电池的电池。这就需要一种能量密度高于 500 Wh/kg 的储能技术，与锂离子电池相比，这种技术一次充电可以为电子设备供电更长时间。用金属电极代替石墨电极的锂金属电池 (LMB) 引起了我们的注意，但这些电池在实验室和工业中都面临着过早报废的问题。因此，我们的主要目标是开发持久耐用、能量密度高的锂金属电池。”
研究人员在论文中介绍的 LMB 设计方法考虑了界面电场对电极/电解质界面的影响，该界面电场可通过电池的电介质进行调节。通过调节电池中使用的电介质，他们的方案确保了阳离子-阴离子配位的完整性，从而使富含阴离子的电解质暴露于界面电场中，从而形成 SEI。
“介电方案要求将阳离子-阴离子对置于具有高介电常数的非溶剂化溶剂中，这可以保护阳离子-阴离子对不被电场分离，”范解释说。“这在电极-电解质界面附近形成了一个富含阴离子的区域。这种界面结构可以优先考虑界面处的阴离子分解，从而为锂金属袋式电池中的锂沉积物赋予强大的界面化学性质。”
张、李及其同事写道：“在带电界面处，阳离子-阴离子对以周期性振荡分布排列。低振荡幅度会加剧电解质分解并增加表面阻抗。我们提出了一种介电协议，可在界面处保持阳离子-阴离子配位，并具有高振荡幅度，从而解决这些问题。”
该团队利用他们新提出的方案，实现了超稀薄电解质（1 g Ah −1），并在锂金属软包电池中进行了测试。结果表明，制成的软包电池的能量密度高达 500 Wh kg −1。
“这项研究揭示了带电电极-电解质界面上阴离子和阳离子的空间分布，”范说。“这使我们能够通过调整电解质成分来调整界面特性，从而提高电池性能。”
其他研究小组可能很快就会从该研究团队的电介质介导方法中汲取灵感，为 LMB 制备其他有前景的电解质。总的来说，这些努力可能有助于开发更可靠的高密度电池解决方案。
“锂金属电池的高能量密度可能导致火灾和爆炸等严重安全隐患，”范先生补充道。“我们未来的工作旨在提高锂金属电池在现实条件下的循环稳定性，以实现兼具高能量密度和安全性的储能技术。”

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