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无负极锂金属电池的挑战与发展

电源技术 2024年第8期48卷 1408-1419页

作者：孙培凇郭玉香罗大为程化丁志玉辽宁科技大学材料与冶金学院辽宁鞍山114051 深圳职业技术大学材料与环境工程学院广东深圳518055

无负极锂金属电池因极高的理论容量、能量密度和低成本的优势成为学术热点。但由于铜箔的疏锂性和金属锂的高活性,导致了锂沉积/剥离不均匀,从而产生锂枝晶和锂消耗过快等诸多问题,限制了实际应用。对无负极锂金属电池的优势、挑战以及... 详细信息

无负极锂金属电池因极高的理论容量、能量密度和低成本的优势成为学术热点。但由于铜箔的疏锂性和金属锂的高活性,导致了锂沉积/剥离不均匀,从而产生锂枝晶和锂消耗过快等诸多问题,限制了实际应用。对无负极锂金属电池的优势、挑战以及解决方案进行了全面梳理,从修饰集流体、构筑稳定固态电解质界面(SEI)膜、引入补锂技术以及优化电解液四个改进策略进行了详细论述,并讨论了负极侧影响金属锂沉积/剥离的机制、正极额外锂源的优势以及电解液对无负极锂金属电池可逆性的影响,总结了四种策略的优缺点和未来的发展方向。

关键词：无负极锂金属电池负极集流体 SEI膜电解液

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黄铜集流体在无负极锂金属电池中的应用研究

中国有色金属学报 2024年第9期34卷 3092-3102页

作者：郭姿珠张睿孙旦王海燕黄小兵唐有根中南大学化学化工学院化学电源湖南省重点实验室长沙410083 湖南文理学院化学与材料工程学院常德415000

虽然无负极锂金属电池(AF-LMBs)具有能量密度高、结构简单等优势,但是金属锂在负极集流体界面不可逆的沉积/剥离过程以及与电解液之间的副反应会大量消耗电池中有限的活性锂,导致电池容量迅速衰减。开发高性能的负极集流体是提升AF-LMB... 详细信息

虽然无负极锂金属电池(AF-LMBs)具有能量密度高、结构简单等优势,但是金属锂在负极集流体界面不可逆的沉积/剥离过程以及与电解液之间的副反应会大量消耗电池中有限的活性锂,导致电池容量迅速衰减。开发高性能的负极集流体是提升AF-LMBs循环寿命的有效策略之一。因此,本文研究了商业黄铜箔(F-Cu-Zn)作为负极集流体在AF-LMBs中的电化学性能,并且结合多种表征技术揭示了F-Cu-Zn电极在循环过程中的结构演变。结果表明:与商业铜箔(F-Cu)相比,F-Cu-Zn含有丰富的亲锂位点,诱导金属锂均匀成核与生长,所组装的Cu-Zn||NCM712软包全电池的室温循环寿命从75次增加至117次。此外,F-Cu-Zn电极中的Zn元素会在循环过程中不断溶解,最终在电极表层形成三维多孔结构。

关键词：无负极锂金属电池黄铜集流体富镍三元正极亲锂位点

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磷酸钒锂正极材料在低温锂离子电池与无负极锂金属电池体系中的应用

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磷酸钒锂正极材料在低温锂离子电池与无负极锂金属电池体系中的应...

作者：佟金澍吉林大学

学位级别：硕士

随着经济社会的飞速发展,能源消耗与环境污染问题日趋严重,因此开发清洁、可再生的能源已成为全球各国应对危机的主要解决方式。电池系统作为能量储存与转化的装置,已经被广泛应用于社会的各个方面,如智能电网、新能源电动汽车等。锂电... 详细信息

随着经济社会的飞速发展,能源消耗与环境污染问题日趋严重,因此开发清洁、可再生的能源已成为全球各国应对危机的主要解决方式。电池系统作为能量储存与转化的装置,已经被广泛应用于社会的各个方面,如智能电网、新能源电动汽车等。锂电池因其高能量密度,长循环寿命以及高安全性能而在储能领域发挥重要作用,作为电池的重要组成部分,对于正极材料的研究也是提高电池电化学性能的关键因素。磷酸钒锂材料因其较高的理论比容量、较大的工作电压以及优异的循环性能成为近年来取代传统正极材料的有希望的候选者之一。本工作立足于磷酸钒锂正极材料,将其应用于低温锂离子电池与无负极锂金属电池。（1）采用传统的溶胶-凝胶法与两步煅烧合成Li3V2（PO4）3/C+YPO4正极材料,为了解决锂离子电池在高电压下副反应多以及低温容量低的问题,我们构建了C+YPO4表面二相包覆的表界面,通过一系列研究表明,表面二相包覆策略减小了高电压下电极与电解液界面副反应多的问题,同时提高了界面反应动力学,以此提高锂离子电池的低温电化学性能。在倍率为0.5 C和温度为-20°С的测试条件下,电池展现出154.5 m Ah g-1的放电比容量,与常温容量相比容量保持率为87.4%。（2）将具有NASICON结构的磷酸钒锂应用于无负极锂金属电池中,通过对Li PF6+EC/DMC/EMC与Li DFOB/Li BF4+FEC/DEC两种电解液的一系列电化学性能测试,筛选出对Cu集流体上锂的沉积和剥离更为友好的电解液与磷酸钒锂正极材料组装无负极全电池。在4.8 V的高电压下,Li DFOB分解形成的Li BF4分别在Cu集流体和正极材料表面形成保护膜,调节Cu集流体表面锂的沉积剥离行为并且保护正极材料免受电解液侵蚀。电池展现出优异的容量保持率与循环稳定性,在0.2 C倍率下在循环100圈后依然拥有44.2%的容量保持率。综上,本文以磷酸钒锂正极材料为研究对象,将其应用于低温锂离子电池与无负极锂金属电池体系中。在锂离子电池体系,通过表面二相包覆减小了表界面副反应以及提高了低温下材料的放电比容量。同时,磷酸钒锂在无负极锂金属电池中的应用为此体系正极材料的选择提供了新的经验与基础。

关键词：锂离子电池无负极锂金属电池正极材料磷酸钒锂表面包覆低温性能

无负极锂金属电池的电解液设计与电化学性能研究

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无负极锂金属电池的电解液设计与电化学性能研究

作者：张宇昊苏州大学

学位级别：硕士

随着锂离子电池的发展,其能量密度也已经接近极限。为了克服锂离子电池的理论容量限制,对于具有高能量密度的锂金属电池的研究被重新提起。然而,由于锂的高反应活性,使用过量的锂会增加安全风险,并降低锂金属电池的能量密度。这种矛盾... 详细信息

随着锂离子电池的发展,其能量密度也已经接近极限。为了克服锂离子电池的理论容量限制,对于具有高能量密度的锂金属电池的研究被重新提起。然而,由于锂的高反应活性,使用过量的锂会增加安全风险,并降低锂金属电池的能量密度。这种矛盾促使了无负极锂金属电池构型的提出。无负极锂金属电池由于其高能量密度、更安全的制造流程,已成为一个有希望解决锂金属电池安全问题的候选者。然而,负极界面上有限的活性材料和界面反应导致其循环寿命差,阻碍了其实际应用。因此,寻找合适的策略提高无负极锂金属电池的循环稳定性对于促进高能量密度储能系统的实际应用具有重要意义。本文针对无负极锂金属电池电解液体系的改性做出了如下的研究:(1)研究了一种有机高含氟化合物4,5-二氟-2,2-二(三氟甲基)-1,3-二氧杂环戊烯(TFD)作为无负极锂金属电池中作为LiF形成剂,可以促进富含LiF的SEI的形成,以提高无负极锂金属电池的循环稳定性。TFD的LUMO能级为低于其他电解液组分的LUMO能级,这使得其在Li表面上更倾向于发生优先还原。TFD由于其高含氟的特点,还原产物含有大量的LiF。使用含有TFD的电解液有利于形成富含LiF和高导锂离子的SEI层,这可以有效地抑制电解液和Li金属之间的副反应,并抑制锂枝晶的形成。使用这种高含氟添加剂,在Li‖Cu电池中可以获得98.88%的更高的锂沉积/剥离库仑效率,并且在无负极锂金属电池Cu‖LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2中实现了的更稳定的循环性能并更长的循环寿命。以上结果表明,TFD是一种很有前途的新型无负极锂金属电池电解液添加剂。(2)引入了一种氧化还原穿梭添加剂2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)来活化在无负极锂金属电池循环过程中积累的死锂。被重新激活的锂可以补偿锂的不可逆损失,从而延长无负极锂金属电池的循环寿命。氧化还原穿梭添加剂TEMPO可以改变锂的沉积行为,因此降低了成核过电位和电压滞后,实现了均匀的锂沉积。由于死锂的再活化、锂枝晶的抑制和均匀的锂沉积,使用含有TEMPO电解液的无负极锂金属电池表现出更好的性能、更高的库仑效率和更长的循环寿命。此外,TEMPO的高可逆性被证明,这表明TEMPO在无负极锂金属电池循环过程中的长期有效性。这项工作为新型高能量密度无负极锂金属电池的设计提供了一种新的策略。还可以获得对电池故障分析和重新恢复的全面了解,这对无负极锂金属电池甚至其他类型的电池都是有益的。

关键词：无负极锂金属电池循环稳定性电解液优化添加剂

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无负极锂金属电池的研究进展

有机化学研究 2023年第4期11卷 245-262页

作者：张宇昊钱涛刘杰南通大学化学化工学院江苏南通

关键词：无负极锂金属电池循环稳定性电解液优化添加剂

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氢氟醚电解液在锂金属电池中的应用研究

船电技术 2022年第2期42卷 43-46,51页

作者：陶锴刘佩莹王灿武汉船用电力推进装置研究所武汉430064

无负极锂金属电池存在容量损失快和循环寿命短的缺点。本文设计制备一种氢氟醚电解液,探究其在无负极锂金属电池中的应用。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)进行分析,结果表明该氢氟醚电解液对高面容量银碳基无负极锂金属电... 详细信息

无负极锂金属电池存在容量损失快和循环寿命短的缺点。本文设计制备一种氢氟醚电解液,探究其在无负极锂金属电池中的应用。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)进行分析,结果表明该氢氟醚电解液对高面容量银碳基无负极锂金属电池的循环性能有着优良的改善作用。氢氟醚电解液减少了锂枝晶的产生,提高了沉积锂的致密性,在大于3 mAh/cm2的高面容量下,银碳基无负极锂金属电池在0.5C的倍率下50次循环后仍保持96.2%的平均库伦效率,展现了优良的循环性能和良好的倍率性能,1C倍率下容量保持率≥85%。

关键词：氢氟醚电解液无负极锂金属电池循环性能倍率性能

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