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限制锂负极的体积膨胀
对于金属锂而言影响其循环性能的另一大问题就是充放电过程中巨大的体积膨胀,为了尽可能的减少金属锂负极的体积变化,人们开始寻找能够储存金属锂的载体材料。在一项研究中人们利用Li辅助还原氧化石墨烯,制备了层状还原氧化石墨烯,将该材料的边缘与熔融的金属Li接触,Li就会在毛细作用下进入到材料之中。该Li/还原氧化石墨烯材料将负极的体积变化控制在20%以内,提高了电池的循环性能,降低了电池的极化,并成功抑制了锂枝晶的产生。
引导Li在负极电镀
在Li-LMO电池中,锂被存储在了正极材料之中,理论上负极在电池组装的时候可以不含锂,但是无锂负极面对的一大挑战就是金属锂在负极表面随机成核和生长,会导致负极镀锂不均匀,以及锂枝晶产生等问题。为了解决这一问题,其中一个办法是在负极预先植入晶种,从而引导锂电镀。研究显示,Li在不同的金属基体上成核的过电势也不同,在与Li相互不溶的金属基体(例如Cu)上,Li结晶成核有很多阻碍,而在与Li相互溶解的金属基体(如Ag、Au、Zn等)则完全没有结晶成核阻碍,基于上述研究成果,人们设计了中空碳纳米胶囊与Au晶种的混合结构,Au晶种能够保证Li在碳纳米胶囊内部成核和长大,碳纳米胶囊则能够保证稳定的SEI膜结构。
固体电解质的应用
今年来新型的固态电解质是防止Li枝晶长生,减少副反应发生的利器,总的来说固体电解质分为两大方向:无机陶瓷电解质和固体聚合物电解质。固体电解质需要满足一下几点:1)高弹性模量,从而阻止锂枝晶的生长;2)室温下较高的离子电导率;3)宽电化学窗口;4)低界面阻抗,以及与电极良好的粘合性。
常见的固态电解质的离子电导率和弹性模量等信息如下表所示,一些固态电解质,例如Li10GeP2S12和Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3,其离子电导率与液态电解质相当甚至要高于液态电解质。而固态聚合物电解质的离子电导率一般要比液态电解质低2-5个数量级,同时固态聚合物电解质的弹性模量也比较小,因此无法完全阻止锂枝晶的生长。为了综合无机陶瓷电解质和固态聚合物电解质的优势,人们开发了一款复合隔膜,如下图所示。
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