Adv. Energy Mater.最新综述:低温锂金属电池中的离子传输

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研究背景

对于先进的便携式电子设备和电动汽车而言,高比能可充电电池在极端工作温度下的部署至关重要。商业锂离子电池能量和功率密度在低温(低于-30°C)下显著降低,限制了其在高海拔/纬度地区以及国防和太空探索等领域的应用。

采用锂金属(3860 mAh/g)来替代石墨(372 mAh/g)作为阳极,锂金属电池(LMB)本质上有望提高低温下的基线能量密度。然而,低温受限的离子传输动力学会导致LMB的输出能量和循环性能恶化,严重的锂枝晶生长甚至会增加电池短路风险。缓慢的离子传输动力学主要涉及Li+溶剂化/去溶剂化、通过体电解质的液相离子传输,以及在固态电解质界面和体电极材料内的固相离子扩散。

最近,通过调节Li+去溶剂化动力学,在低温-60°C下成功实现了140 Wh/kg的电池级能量密度。尽管在探索低温LMB方面取得了进展,但该领域仍面临许多问题和挑战。

 

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成果简介

近日电子科技大学熊杰教授课题Adv. Energy Mater.上发表了题为“Ion Transport Kinetics in Low-Temperature Lithium Metal Batteries”的综述文章。从关键组件到电池化学,系统地回顾和讨论了低温LMB离子传输过程的关键限制因素,梳理了电解质、电极和电解质/电极界面的离子传输/扩散所面临的挑战。此外,全面总结了提升低温离子传输动力学和LMB性能的最新策略,并展望了低温LMB的未来前景和研究方向。

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图1. (a)近三年中国各省平均最低气温分布;(b)在不同温度下典型商用电池的能量密度比较;(c)最近报道的低温LMB的电池级能量密度。

 

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文章要点

要点1:低温离子传输过程及其影响因素

化学反应的发生及其反应速率很大程度上取决于温度,反应活化能与温度的关系遵循阿伦尼乌斯方程。化学系统的反应速率会随着温度的降低呈指数下降,从而在反应路径中产生较大的能垒。在低温下,缓慢的离子传输动力学是限制LMB性能的最关键因素。本小节分析了电解质、固体电极及其界面中离子传输/扩散的特性,以阐明低温充放电过程中的动力学限制因素。此外,对于电解液,强调了几个重要的设计参数,如离子电导率(σ)、离子迁移率(μi)、介电常数(ε粘度(η)等。

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图2.  低温LMB的离子传输过程示意图

要点2促进低温离子传输过程的策略

低温LMB的Li+传输涉及电极、电解质以及电极/电解质界面。本小节主要概述了如下策略:1)促进盐解离和Li+溶剂化,包括高介电常数、低粘度高供体数的先进电解质配方的开发。2)增强溶剂化Li+的液相传输,包括局部高浓度电解质的设计和溶剂/锂盐比例的调控。3)调节界面的Li+去溶剂化结构,包括碳酸盐电解质氟化新型醚电解质的开发。4)加速SEI中Li+的固相迁移,包括SEI结构和组分特性的调控。5)促进正极材料内Li+的固相扩散,包括离子导电涂层、表面阳离子掺杂粒径尺寸的设计,以及新型正极材料的开发

要点3低温锂金属电池的未来展望

从Li+传输动力学的角度出发,剖析了低温LMB的限制因素和挑战、以及最新设计策略。在未来的研究中,应该注意一些关键科学问题和潜在方向,包括1)准确建立电解质性质与低温离子传输行为间的关联。2)定量确定精确的溶剂化结构和动态去溶剂化过程。3)了解SEI中无机/有机成分的形成过程、分布和作用机理。4)通过人工智能和机器学习对温度相关材料进行智能筛选。总之,要有效解决与离子传输动力学相关的问题,必须进行多领域的合作与创新,最终推动高性能低温LMB的进步

 

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文章链接

Hu, A., Li, F., Chen, W., Lei, T., Li, Y., Fan, Y., He, M., Wang, F., Zhou, M., Hu, Y., Yan, Y., Chen, B., Zhu, J., Long, J., Wang, X., Xiong, J., Ion Transport Kinetics in Low-Temperature Lithium Metal Batteries. 

Adv. Energy Mater. 2022, 2202432. 

https://doi.org/10.1002/aenm.202202432

 

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