Nature Reviews Materials超级综述:腐蚀学角度解密金属锂电极钝化膜
2021-10-21 13:42:42 作者:腐蚀与防护 来源:河北大学 分享至:

近日,河北大学化工学院何欣特聘研究员在Nature Reviews Materials发表了题为“The passivity of lithium electrodes in liquid electrolytes for secondary batteries”的研究论文。该文章从一个稍微不同的角度对发生在锂电极-液态电解质界面的反应进行了深入研究,参考了金属上腐蚀和钝化现象的一般概念,并重新审查了相应的、成熟的电化学理论和模型。

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锂金属具有很高的理论比容量(3860mAh/g)和极低的氧化还原电位(相对于标准氢电极(SHE)的?3.040V),因此可以提供较高的比能(500Wh/kg)。因此,早在20世纪60年代就提出并筛选了锂金属作为高能量密度电池系统的负极。尽管锂在液态电解质中极为活跃,但由于表面保护膜的快速增长,它仍然相对稳定。


理想的钝化膜必须满足以下先决条件:它应该保护锂金属表面不与电解质接触;允许锂离子(Li+)在膜上快速传输;抑制锂和电解质之间的电子转移;防止锂枝晶的成核和生长;并符合锂剥离和沉积期间的锂表面形态变化。创建这样一个理想的钝化膜需要深入了解膜的组成、结构、形态和拓扑结构与其在电池单元中的基本功能和操作之间的关系。


一些关于锂金属阳极的优秀评论文章已经发表,这些文章主要集中在先进的(主)结构以及人工保护层的设计上。


基于此,河北大学化学工程学院的何欣特聘研究员在本综述中,从一个稍微不同的角度对发生在锂电极-液态电解质界面的反应进行了深入研究,参考了金属上腐蚀和钝化现象的一般概念,并重新审查了相应的、成熟的电化学理论和模型。


值得注意的是,尽管与其他金属在水和非水电解质中观察到的表面现象有相似之处和类似之处,但金属锂还没有从腐蚀科学的角度进行彻底研究。在这里,何欣研究员通过讨论(可逆的)Li+在瞬间形成的钝化层上的转移,通常被称为固体电解质间相(SEI),在腐蚀科学和电池电化学之间建立一座桥梁。将这些考虑与以材料科学为导向的方法结合起来,以实现精心设计的钝化层或人工夹层,这些钝化层或人工夹层可以在原位(即在电池中)或非原位(即在电池组装前)获得,它们可以抑制连续的电解质分解和锂消耗。


文章最后,提供了一份理想的钝化层的愿望清单,并确定了可能导致在商业电池单元中部署金属锂阳极的知识差距和研究方向。

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锂金属电池商业应用的相关参数


未来,合适的金属锂表面的腐蚀保护层需要注意以下问题:


1 对于电子和液体电解质,界面相必须是“真正的”绝缘体。


2 必须具有高的Li离子导电性,以允许足够快的和均匀的Li传输,同时在与液体电解质的界面上提供有利的Li离子脱溶动力学,以便随后进行Li沉积和剥离。


3 应该有足够高的灵活性,以承受体积变化,以及高的机械稳定性,以避免断裂,从而使新鲜的锂暴露在电解液中,这将导致进一步的锂腐蚀。


4 锂金属电极目前的局限性可以通过实现自发形成的,即腐蚀诱导的锂腐蚀保护层来解决,该保护层可以提供所有需要的功能,例如,通过基于腐蚀、材料和电池科学家的综合方法来调整电解质成分和/或锂金属表面。


5 除了安全性之外,在商业电池中应用金属锂负极的决定性参数是CE和过电位,它们决定了电池中的锂和电解质的数量,以便在长期循环时达到一定的容量保持。


原文链接如下:http://www.nature.com/articles/s41578-021-00345-5

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