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西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略

西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略

西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略
【文章信息】

论文标题:金属电池中的枝晶应对策略

第一作者:Muhammad Kashif Aslam

通讯作者:徐茂文*

通讯单位:西南大学

西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略
【研究背景】

随着电子器件和大规模储能系统的日益多样化,对储能技术提出了巨大的需求和挑战。用锂、钠、钾、锌等金属取代容量上限低的石墨、硅碳、硬碳等传统阳极被认为是探索高能密度系统的绝佳策略。然而,这些所谓的金属电池(MBs)也面临着诸多亟待解决的问题,比如高阳极反应性、树枝状生长和高安全风险。其中,枝晶的生长是一个相当严重的问题,已引起了众多材料科学家和电池研究者的关注。枝晶的形成会增加金属阳极的表面积并诱导固体电解质界面(SEI)膜的破裂和重构,这很可能导致电解液的过度消耗和死金属的形成,从而引发潜在的短路等安全风险。因此,迫切需要寻找先进且高效的技术以抑制甚至消除在反复充放电过程中枝晶的形成,而在这方面目前已取得了诸多进展。基于此,本文综述了枝晶形成的基本机理和理论模型及其电化学性能影响相关性。此外,从界面能/体积应力的角度,着重介绍了抑制、调节和消除枝晶的几种创新策略。最后,对MBs的发展作了展望。

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【文章简介】

近日,来自西南大学的徐茂文教授课题组在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“How to avoid dendrite formation in metal batteries: Innovative strategies for dendrite suppression”的综述文章。该综述文章从枝晶形成的基本机理和理论模型出发,对几类金属电池中的枝晶特性、影响因素等进行了阐述,同时对目前在研究枝晶问题上具有代表性的解决方案进行了汇总。

西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略图1. 金属电池中抑制枝晶的部分解决方案


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【本文要点】

要点一:枝晶生长的机理和模型

目前,研究者们提出了许多描述枝晶形成和早期生长的模型和理论,包括Wranglen理论、Bockris-Barton模型,Kim-Jorne理论、Bockris-Barton模型、Chazalviel模型、沉积溶解模型、异质成核模型、应力驱动的枝晶生长模型、Akolkar模型,Monroe-Newman模型等 (图2)上述理论和模型认为,1)镀层达到一定厚度时,大多数金属都会形成枝晶;2)交换电流密度与树枝晶形成趋势相关;3)枝晶生成存在一个临界过电位(或临界电流密度);4)枝晶的生成分为诱发阶段和稳定生长阶段,且在后一阶段过程中尖端形状保持不变。利用上述理论和模型来进行预测往往是不现实的,辅以一些实验研究以及理论模拟计算来描述可变的特性是必要的,或许也是更精确的。

西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略图2. 枝晶生长原理、理论和模型道路图。


要点二:锂金属电池中的枝晶应对策略

鉴于锂枝晶的形成是动态过程这一事实,目前的策略除了枝晶抑制策略(难免会失效)之外,还包括枝晶诱导生长策略(允许枝晶的形成和生长,但可均匀转化为光滑形貌的锂)以及枝晶消除策略(最终目标)。具体来说,从工况条件(温度、压力、电流密度)和电解质(浓度、成分、添加剂)筛选,到集流体(维度、材质、成核-生长概念)、界面(自牺牲、惰性)设计再到阳极复合化,多种设计思路都值得去关注和发展。

要点三:其他金属电池中的枝晶特性

枝晶问题并非锂金属电池独有其他MBs,如钠、钾和锌电池也同样面临枝晶生长和循环稳定性等问题。与锂电池中枝晶的研究相比,其他金属电池中枝晶的研究较少。虽然三种碱金属之间有相似之处,但它们不同的能量化学性质不可避免地影响了它们的电化学过程和作为工作阳极的实际应用。与锂阳极相比,这种差异也为钠、钾金属阳极提供了独特的机遇和巨大的挑战。

要点四:展望

解决枝晶问题是开发安全、长循环寿命、高能量密度MBs的前提。目前报道的各种模型和方法对抑制枝晶生长有一定的效果,但这些方法仍有一定的局限性,远远不能满足金属锂商业应用的要求。此外,如何提高循环库伦效率仍然是一个严峻的挑战。在今后的研究中,迫切需要在深入了解枝晶消除机理和过程的基础上实现一些关键突破,包括描述和研究机械力对循环过程中组织演变的影响以及拓展先进的表征技术。此外,热失控的可能性被认为是造成安全问题的主要原因。基于锂离子电池的研究经验,应注重理论与实验相结合,对电池内部温度分布进行监测研究。当然,从实际应用和商业化角度来看,有必要对整个电池系统进行构建和研究,而这也对特定体系的机理明确和正负极匹配性等提出了新的挑战。

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【文章链接】

How to avoid dendrite formation in metal batteries: Innovative strategies for dendrite suppression

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521003980 

西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略
【通讯作者简介】

西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略

徐茂文教授简介:现任西南大学材料与能源学院院长,博士生导师,美国德州大学博士后(合作导师诺贝尔奖得主Goodenough教授)。主要围绕新能源材料与器件开展研究,包括锂/钠离子电池、新型锂/钠硫电池和全固态电池等。目前已发表英文学术论文230余篇,论文引用7400余次,H因子42,已获授权发明专利20余项,部分已实现转化。主持国家自然基金、省部级重点项目等课题10余项;培养博士后、博士生和硕士生40余名。
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【第一作者介绍】

西南大学徐茂文教授Nano Energy综述:金属电池中的枝晶应对策略

Dr. Muhammad Kashif Aslam是西南大学材料与能源学院的博士后研究员。发表SCI论文30余篇,其中H因子14,i10因子19,部分论文发表在 Nature Communications, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Energy Storage Materials and Advanced Science.
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