锂离子电池的研究进展综述

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1、锂离子电池的研究进展刘文2015200807近十年以來，通过对新电极材料和新存储机理的开发研究，基于锂的可重复充电电池技术得到了飞跃发展，电池性能不断提高。得益于纳米技术的不断探索发现，传统电池材料存在的许多重难点基础问题极有希累得到解决。一、纳米技术致力于解决传统电池领域的哪些重大问题？1.体积变化导致活性颗粒和电极的开裂与破碎传统嵌入式电极材料在充放电过程中的体积变化较小。而对于新型的高容量电极材料而言，由于充放电过程中，大量Li物种殴入和脱呢，发生巨大的体积变化。经过多次循环之后，活性颗粒和电极材料会开裂和破

2、碎，影响电学传导，并造成容量降低，最终导致电池失效，大大缩短了电池的使用寿命。据报道，合金型负极材料的体积膨胀率中,Si为420%,Ge和Sn为260%,P为300%。而传统的石墨负极只有10%。MaterialputveroabooUthtdUonElectrode加Bure图i.活性颗粒和电极材料在充放电过程中开裂和破碎的过程硅极负极的解决方案纳米材料一个天然优势就在于，其尺寸较小，可以在颗粒和电极层面上有效抵抗力学上的破坏。高容量电极材料有一个基本参数，叫做临界破碎尺寸。这个参数值取决于材料的反应类型（譬如合

3、金反应，转化反应）、力学性能、结晶度、密度、形貌以及体积膨胀率等一系列参数。而且，电化学反应速率对于颗粒的开裂和破碎影响重大，充放电速率越快，产生的应力就越大。当颗粒尺寸小于这个临界尺寸时，锂化反应引起的应力就能得到冇效控制，从而缓解颗粒的的开裂和破碎行为。研究表明,Si纳米柱的临界尺寸是240-360nm,Si纳米线的临界尺寸是300-400nm,这一区间范围主要是受到电化学发宁速率的影响。晶化Si纳米颗粒的临界尺寸大约是150nmoNanowiresFacilestrainrelaxationEfficient

4、1DelectrontransportGoodcontactwithcurrentcollector图2.Si纳米线负极材料可以适应应力的影响因此颗粒的破碎问题可以通过使用低于临界尺寸的各种纳米结构材料来实现，譬如纳米柱、纳米线、纳米颗粒、纳米管、纳米棒、以及纳米复合材料等。至于电极的破碎问题主要是采用一系列胶粘方法将Si纳米颗粒粘结在集流器上实现。硫正极的解决方案硫具有高比容量和低成木的优势，位列最具实用前景的锂电池正极材料之一，当S通过锂化反应完全转化为LizS时，其理论体积膨胀率高达80%。因此，S正极和其他

5、高容量电极材料一样，也存在粉化的问题。除此之外，S的锂化过程中一般会产生多种可溶的聚合硫化物中间体，而S正极的膨胀将导致中间体从电极中泄露出来，降低电池的性能。众所周知，这些可溶解的屮间体可以通过包裹的方式防止泄露。充放电过程中，core-shell结构的保护壳层会发生破裂，从而引起聚合硫化物中间体的泄露。于是，研究人员设计出了具有空心壳层的S@TiO2,$@聚合物等yolk-shell结构，或者其他限域结构，冇效解决了体积膨胀造成的聚合硫化物泄露以及粉化的问题。3nm6.5nm006EI40000004•••IS

6、：cystallization；图3.S嵌在介孔碳中2.SEI膜（固体-电解质中间相）的稳定性在锂屯池中，常用电解液中有机碳酸盐的还原电位比负极材料的工作电压要高。因此，在电池充电过程屮，电解液会被述原，并在电极表而生成一层SE1膜。这层膜可以传导锂离子，却不导电，从而会在负极材料表面越长越厚。稳定的SEI膜对负极材料的钝化作用有助于负极材料高库伦效率和长期稳定性的实现，然而，休积变化导致SEI不断变化，难以维持稳定。0-0-0-O0图4.Si表面SEI膜的形成与稳定策略纳米技术如何实现SEI膜的稳定呢?硅负极针对

7、Si负极，主要采用空心包裹的策略来实现SEI膜的稳定。譬如Si@C,Si@CNT,Al@TiO2等多种yolk-shell结构的设计,既提供了电解液阻隔层,又为活性颗粒的体积膨胀预留了空间，电池性能从而得到有效提高。Li金属负极锂离子屯池领域，锂金属是目询理论能量密度最高的负极材料，也是高能Li-S电池和Li-air电池负极的绝佳Z选。然而，充电过程中，Li金屈的体积膨胀人得惊人。因此，如何控制锂金属负极的SEI膜就更加棘手了。Copper:arbon-spheresthinfilmUdissolutionUdep

8、osition『Cycling图5.Li金屈表而SEI膜的形成与稳定策略通过类似的方案，研究人员在锂金属和电解质之间构建一层纳米界面保护层，譬如相互连接的空心碳纳米球，或者超薄的二维BN/Grphcne纳米复合材料。这样，在充放电过程中，SEI膜就随着界面保护层的存在而稳定下来，而不会逐渐变厚。这种策略同时也解决了锂金属负极的枝晶问题。3.电子和离子传输在活