Matter综述:全固态电池中锂树枝晶的生长机制、抑制策略和表征
痴迷文献 痴迷文献 2020-04-26

尽管枝晶生长阻碍了锂在全固态电池中的进一步应用,但因其最低的电化学电位和较高的容量,锂金属作为全固态电池负极材料仍然受到越来越多的关注。大量的研究表明,枝晶问题在ASLBs中广泛存在,且机理复杂。

有鉴于此,美国东北大学祝红丽教授对ASLBs中Li枝晶的热力学、动力学、电化学、化学机械、结构稳定性和表征进行了系统和深入的了解。

文章要点

1作者总结了树枝晶的形成和扩展机理包括:(1)有机固体聚合物电解质(尖端枝晶生长,枝晶的横向生长,亚表层结构引发的树枝晶生长以及Li|SE界面电荷重分布加速枝晶形成);(2)无机固体陶瓷或玻璃电解质(不连续界面接触诱导枝晶生长,晶界诱导Li枝晶渗透,固体陶瓷或玻璃电解液中的镀锂,相间效应引起的枝晶生长)。

2作者在枝晶生长机制的基础上,总结了抑制枝晶生长的各种策略包括:(1)聚合物基复合固态电解质对锂树枝晶的抑制作用(非离子导电陶瓷填料复合电解质,离子导电填料的混合电解质复合)(2)固体电解质和锂金属的优化(固体陶瓷和玻璃电解质的优化,锂金属负极的优化);(3)界面缓冲层(亚稳界面层,人工界面层)。

3)为了更好地理解固态电池中的树枝晶,作者综述了先进的表征技术包括:电化学表征;原位扫描电镜和光学显微镜表征;中子深度剖面(NDP);同步辐射X射线成像;核磁共振(NMR)。

4)为了将锂金属用作全固态电池的负极,作者提出几点建议包括:(1)对于枝晶抑制,建议采用标准的库仑效率表征、更强的原位表征技术、有限的Li含量、早期识别“软短路”和较薄的电解液;(2)目前的锂金属保护方法大多是在电池内测试的。在更大的电池(如储袋电池)中测试锂金属的稳定性具有重要的实际意义;(3)在SE和Li金属之间形成稳定的、功能性的人工界面层是关键;(4)计算模拟在寻找新的候选电解质方面发挥着越来越重要的作用,有助于实验人员对性能有更深的理解和预测。

Cao et al., Lithium Dendrite in All-Solid-State Batteries: Growth Mechanisms, Suppression Strategies, and Characterizations, Matter (2020),

DOI:10.1016/j.matt.2020.03.015

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.03.015


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