下一代鋰電池的關(guān)鍵問題

鋰離子電池對(duì)當(dāng)今的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，然而由于插層化學(xué)本質(zhì)上的限制，鋰離子電池的能量密度已接近理論上限，難以滿足當(dāng)今日益增長的儲(chǔ)能需求。

下一代鋰電池的研究已引起廣泛關(guān)注。其中，采用金屬鋰作為負(fù)極、插層或轉(zhuǎn)化型材料作為正極的下一代鋰電池具有高能量密度和巨大的商業(yè)化潛力，受到廣泛關(guān)注。

近年來，隨著材料和反應(yīng)機(jī)理研究的深入，以及技術(shù)手段的進(jìn)步，下一代鋰電池取得了不斷地發(fā)展。Tips：如何選擇適配下一代鋰電池的電解質(zhì)？下一代鋰電池研究的思路和涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題是什么？1.電解質(zhì)的選擇電解質(zhì)是電池體系中不可或缺的組成部分。電解質(zhì)構(gòu)建了電池內(nèi)部的離子通路，與外部電子通路一同構(gòu)成封閉回路。電解質(zhì)的體相離子電導(dǎo)率，以及電解質(zhì)與電極之間離子、電子通道的連通性共同決定了電池的內(nèi)部阻力。因此，提高電解質(zhì)的體相離子電導(dǎo)率，改善電解質(zhì)與電極的接觸面積和接觸方式，是電池設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。此外，電解質(zhì)對(duì)電極的穩(wěn)定性也是實(shí)際應(yīng)用必須要考慮的問題。

液態(tài)電解質(zhì)：主要由非水溶劑、鋰鹽和其他添加劑組成。其優(yōu)勢在于離子電導(dǎo)率高，電解質(zhì)與多孔電極接觸良好。目前，大多數(shù)商用電池以及研發(fā)中的下一代鋰電池都使用液態(tài)電解質(zhì)。然而，在采用轉(zhuǎn)化型電極的下一代鋰電池中，電極體積由于在充放電過程中變化巨大，導(dǎo)致界面不穩(wěn)定，嚴(yán)重限制了電池的使用壽命，甚至威脅到電池的使用安全。因此，需要探索適配于下一代鋰電池的液態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)：固態(tài)電解質(zhì)克服了液態(tài)電解質(zhì)易燃、易揮發(fā)、易泄露的缺點(diǎn)，同時(shí)具有良好的機(jī)械性能，可以在一定程度上抑制鋰枝晶以及放電中間產(chǎn)物的擴(kuò)散。過去三十年，固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率顯著提升，未來固態(tài)電解質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中的最大障礙將不再是體相離子電導(dǎo)率，而是固態(tài)電解質(zhì)與電極的界面阻抗。由于電池中的電極通常是多孔固體，固態(tài)電解質(zhì)與電極之間是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接觸。因此，固態(tài)電池的界面阻抗非常大，嚴(yán)重影響電池性能。此外，固態(tài)電解質(zhì)也存在固有缺點(diǎn)，如生產(chǎn)成本高、表面易發(fā)生副反應(yīng)導(dǎo)致改變電解質(zhì)原本特性等。因此，固態(tài)電解質(zhì)的研究是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。2.下一代鋰電池的研究思路下一代鋰離子電池的研究主要集中在非水相電解質(zhì)鋰離子、鋰硫和鋰空電池。?

非水相電解質(zhì)(a)鋰離子、(b)鋰硫和(c)鋰空電池示意圖★鋰離子電池或許能成為最早在實(shí)際應(yīng)用方面有重大突破的電池體系優(yōu)勢：電池能量密度較高；插層正極比轉(zhuǎn)化型正極更穩(wěn)定。劣勢：金屬鋰負(fù)極的枝晶問題。解決策略：原位SEI（固體電解質(zhì)界面）化成、人工保護(hù)層和結(jié)構(gòu)鋰負(fù)極。雖然許多應(yīng)對(duì)鋰枝晶的策略已在實(shí)驗(yàn)中得到初步驗(yàn)證，但為了更貼近實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)在更苛刻的條件下評(píng)測，才能更好地推動(dòng)實(shí)用化進(jìn)展。?

二次鋰電池金屬鋰負(fù)極的挑戰(zhàn)★鋰硫電池下一代電池體系的理想選擇優(yōu)勢：能量密度高；原料成本低；安全性較高。劣勢：正極的硫及其放電產(chǎn)物導(dǎo)電性差，多硫化物的穿梭效應(yīng)和鋰負(fù)極的穩(wěn)定性差。解決策略：先后提出了碳硫復(fù)合正極，吸附、催化多硫化物轉(zhuǎn)化，隔膜涂層等方法提升硫的利用率，改善鋰硫電池循環(huán)性能。除了新材料研究，關(guān)于復(fù)雜的多電子相轉(zhuǎn)變反應(yīng)機(jī)理的研究也很重要，這為鋰硫電池的研究提供新的機(jī)遇。鋰硫電池的發(fā)展還需要持續(xù)的研究和投入。?

鋰硫電池存在的問題★鋰空電池研究尚處于起步階段優(yōu)勢：正極氧氣容易從空氣中分離，成本有望大大低于鋰離子電池；能量密度優(yōu)勢明顯。劣勢：鋰空電池工作體系開放，需使用選擇性透過膜防止其他氣體、水和空氣中的雜質(zhì)滲透；由于正極氧氣化學(xué)特性復(fù)雜和金屬鋰負(fù)極反應(yīng)活性大，它在科學(xué)和技術(shù)上仍存在復(fù)雜的問題有待解決。為解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)基底、催化劑和電解質(zhì)做出大量的探索。雖然目前已有很多應(yīng)對(duì)不同問題的策略，但鋰空電池仍處在起步階段，鋰空電池的循環(huán)壽命和容量還遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。?

鋰空電池的挑戰(zhàn)3.結(jié)論與展望為了解決下一代鋰電池設(shè)計(jì)和應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)，能源化學(xué)工程需要在以下方面有更深刻的認(rèn)識(shí)和進(jìn)一步的發(fā)展：★離子輸運(yùn)機(jī)理離子的溶劑和脫溶劑化、界面形成反應(yīng)以及多相離子輸運(yùn)機(jī)理的相關(guān)研究還要繼續(xù)深入?？紤]到電場的影響以及多相界面的復(fù)雜性，多尺度的理論和實(shí)驗(yàn)是必要的?！锝饘黉嚨姆€(wěn)定界面理解和調(diào)控金屬鋰界面是實(shí)現(xiàn)鋰負(fù)極應(yīng)用的關(guān)鍵，需要精準(zhǔn)地調(diào)控固液界面膜的組分和結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高鋰電池庫倫效率。只有在大電流(10mA·cm?2)、大容量(大于6mA·h·cm?2)條件下實(shí)現(xiàn)高庫倫效率，鋰負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用才有可能。★正極界面全電池中正極和電解質(zhì)的界面非常重要，但目前缺乏重視。界面處離子和電子的運(yùn)輸以及界面反應(yīng)是關(guān)鍵問題。如何在三維多相體系中構(gòu)筑穩(wěn)定的離子和電子通道、如何容納體積變化、如何承受大電流仍是挑戰(zhàn)?！锶姵仄ヅ湫哉龢O、負(fù)極和電解質(zhì)的良好匹配有助于全電池穩(wěn)定循環(huán)。匹配正負(fù)極的時(shí)候應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮電極的體積變化、反應(yīng)放熱和不同放電深度下不均勻的離子和電流分布?！镫姵匕踩詾樘岣唠姵匕踩?，初始材料設(shè)計(jì)、熱穩(wěn)定的SEI和隔膜，以及合適的電流密度十分重要。此外，電池管理系統(tǒng)也很重要?；瘜W(xué)工程中的系統(tǒng)工程可以幫助電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)?！镏悄茈妱?dòng)車中的電池應(yīng)用智能電動(dòng)車的普及需要進(jìn)一步優(yōu)化電池和材料，以適應(yīng)電動(dòng)車的供電行為和使用特點(diǎn)?！锎笠?guī)模儲(chǔ)能中的電池應(yīng)用電池在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存?？紤]到儲(chǔ)能的成本和資源的豐富性，有機(jī)正極材料和鈉負(fù)極是大規(guī)模儲(chǔ)能中較有吸引力的材料?！镄麦w系下一代電池的普及下一代電池的普及需要在商業(yè)模式、供應(yīng)和回收鏈等方面進(jìn)行創(chuàng)新。有效利用資源和回收廢電池是下一代電池可持續(xù)發(fā)展的必要條件，政策的引導(dǎo)和市場的推動(dòng)將在其中發(fā)揮重要作用。近二十年來，鋰離子、鋰硫和鋰空電池取得了長足的進(jìn)步。目前為止，還沒有一種理想的設(shè)計(jì)能讓電池在各種條件下都有理想的表現(xiàn)。日益先進(jìn)的表征工具、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)科學(xué)、納米技術(shù)以及