金属锂负极的能源化学新进展
锂--21世纪能源战略金属
广东化工2021年第5期· 82 · 第48卷总第439期锂─21世纪能源战略金属王晖1*，王毓明2(1．黎明职业大学轻工学院，福建泉州362000；2．华侨大学化学系，福建泉州362000) [摘要]本文简介锂在减少碳排放、寻找非化石能源中扮演着储能、生能和节能的重要角色。
在锂离子电池中大放异彩，在受控核聚变中展露卓越、才能出众，其节能效能惠及四方。
世界对锂的需求量增速惊人，锂资源将处于能源战略的风口浪尖上。
[关键词]锂电子电池；受控核聚变；节能；锂资源[中图分类号]TD865 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2021)05-0082-03Lithium─energy Stratagic Metals in the 21st CenturyWang Hui1*, Wang Yuming2(1. Light Industry College, Liming Vocational University, Quanzhou 362000；2. Department of Chemistry, Huaqiao University, Quanzhou 362000, China)Abstract: This paper briefly introduces that Lithium plays an important role in energy storage, energy generation and energy conservation in reducing carbon emission and searching for non-fossil energy. It’s brilliant in the Lithium - ion battery and outstanding in the controlled nuclear fusion. It’s energy saving efficiency and quartet. The world’s demand for Lithium is growing rapidly, and Lithium resources will be at the forefront of energy strategy.Keywords: Lithium-ion battery；Controlled nuclear fusion；Energy conservation；Lithium resources2019年12月11日发表在《自然》杂志网站的一项气候变化的研究显示，自1992年以来格陵兰冰盖(世界第二大冰盖)减少了3.8万亿吨，导致全球海平面上升10.6毫米，联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC)于2013年预测，到2100年，全球海平面将上升60厘米，每年可能有近4亿人面临沿海洪灾的风险[1-2]；科学家预测委内瑞拉安第斯山脉(南美洲有5000多万人依靠安第斯山脉供水)的冰川可能在20年内消失[3]。
锂-空气电池
为了减少气体扩散对电池性能的影响， Williford等设计了一种双重相互连通的孔隙系统 （一边有催化剂，另一边无催化剂）提高氧气传 输到空气电极内部的几率，从而提高锂空气电池 的效率。 通过上述对多孔碳空气电极的研究表明，孔容 （孔隙率）是决定多孔碳空气电机性能非常重要 的参数。一般而言，在反应比表面积充足的情况 下，碳材料的孔容越大，储存锂氧化物的空间就 越大，其容量也就越高。
4.2催化剂的效率
催化剂的催化效果不仅与其自身化学性质有关， 而且与其物理性质有关。
应用在空气电极上的催化剂种类较多，主要有以
下四种类:(1)多孔碳材料;(2)金属氧化物材料;（3） 贵金属及合金;（4）金属菁化合物。
对空气中催化剂的选择一方面要考虑催化剂的价
格，能够满足大规模商业化的应用；另一方面要 考虑催化剂的催化性能，能够满足答功率电化学 反应的要求。
主要内容： 1、锂-空气电池材料的主要问题 2、锂电极的保护 3、电解质材料 4、锂空气电极材料
1、锂-空气电池材料的主要问题
目前，锂-空气电池的研究还处于初始阶段，其 实际比能量还远远达不到其理论值，比功率较低、 循环性能也较差。目前制约其发展和应用的因素 有很多，以锂-空气电池为例，在电池材料方面主 要有：
图五为放电时间与孔隙结构之间的关系，其中 电极厚度为0.070cm,氧气分压为1.0atm，电流 密度为0.5mA.cm-2，电池总放电时间为56h。
Mirzaeian等采用碳酸钠催化剂与碳气凝胶复合作 为空气电极，研究了多孔碳的结构，孔隙率，孔径 以及比表面积对电池放电容量的影响。结果表明， 在孔容（2.195cm3.g-1）和孔径（14.23nm）时， 具有较高的放电容量（1290mAh.g-1，放电电流密 度20mA.cm-2）。 在相同厚度的空气电极中，碳的装载量与孔容是影 响电池放电容量的两个重要参数。在一定程度范围 内，随着碳装载量的增加，放电容量会有所提高。 Hayashi等研究了不同种类的碳材料作为空气电极 时电池的电化学性能。高的碳材料比表面积对应大 的放电容量。
金属电池负极枝晶的研究进展
池BIMONTHLY Vol.49,No.6 Dec.,2019第49卷第6期2019年12月电BATTERYDOI：10.19535/j.1001-1579.2019.06.019金属电池负极枝晶的研究进展王曾，沈康，侯广亚，唐谊平（浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江杭州310014）摘要:针对金属负极的枝晶展开论述。
介绍金属负极的枝晶形成机理，并综述近年来在电解液体系改良、金属负极界面改性和负极结构设计等方向针对抑制金属负极枝晶生长进行的研究，对金属负极的研究方向进行展望。
关键词：金属电池；负极枝晶；形成机理；抑制枝晶中图分类号:TM912.9文献标志码：A文章编号：1001-1579（2019）06-0524-04Research progress in anode dendrite for metal batteryWANG Zeng,SHEN Kang,HOU Guang-ya,TANG Yi-ping(School of Materials Science and Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,Zhejiang310014, China) Abstract:Metal anode dendrite was discussed.Formation mechanism of metal anode dendrite was introduced,the recent research on the inhibition of metal anode dendrite in electrolyte system improvement,metal anode in t erface modification and an o de structure design was reviewed, the research direction of metal anode was prospected.Key words:metal battery；anode dendrite；formation mechanism；inhibit dendrite金属电池是以金属作为负极的电池体系，主要有锂氧电池、锂硫电池、钠氧电池和锌空电池等⑴，具有能量密度高和原料丰富等特点，近年来，成为能源领域的研究热点。
动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展
动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展2010-11-10 14:45:06 中国石墨碳素网文/苗艳丽杨红强岳敏天津市贝特瑞新能源材料有限责任公司随着汽车行业的发展，石油、天然气等不可再生石化燃料的耗竭日益受到关注，空气污染和室温效应也成为全球性的问题。
为解决能源问题、实现低碳经济，基于目前能源技术的发展水平，电动汽车技术逐渐成为全球经济发展的重点方向，美国、日本、德国、中国等国家相继限制燃油车使用，大力发展电动车。
作为电动汽车的核心部件——动力电池也迎来了大好的发展机遇。
动力电池是指应用于电动车的电池，包括锂离子电池、铅酸电池、燃料电池等，其中，锂离子电池因具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性，成为目前各国发展的重点。
国外政府及企业在动力锂离子电池研发上均做出了很大的努力。
我国的锂离子电池产业起步虽较晚，但发展速度非常快，同时，政府给予了大力的支持。
“十一五”期间，“863”电动汽车重大专项对混合动力（HEV）、外接充电式混合动力（PHEV）用锂离子电池关键材料和电池进行了专门的研究。
与锂离子电池其他部件相比，锂离子电池负极材料的发展较为成熟。
在商业应用中，石墨类碳材料技术较为成熟，市场价格也比较稳定，但随着锂离子动力电池对能量密度、功率密度、安全等性能的要求不断提升，硬碳、钛酸锂（Li4Ti5O12）、合金等其他材料也相继成为研究热门。
一、动力锂离子电池负极材料简介1.动力锂离子电池负极材料特性锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜和其他附属材料组成。
锂离子电池负极材料要求具备以下的特点：①尽可能低的电极电位；②离子在负极固态结构中有较高的扩散率；③高度的脱嵌可逆性；④良好的电导率及热力学稳定性；⑤安全性能好；⑥与电解质溶剂相容性好；⑦资源丰富、价格低廉；⑧安全、无污染。
2.动力锂离子电池负极材料主要类型早期人们曾用金属锂作为负极材料，但由于存在安全问题没有大规模商业应用。
(完整版)全固态锂电池技术的研究进展与展望
全固态锂电池技术的研究进展与展望周俊飞（衢州学院化学与材料工程学院浙江衢州324000）摘要：现有电化学储能锂离子电池系统采用液体电解质，易泄露、易腐蚀、服役寿命短，具有安全隐患。
薄膜型全固态锂电池、大容量聚合物全固态锂电池和大容量无机全固态锂电池是一类以非可燃性固体电解质取代传统锂离子电池中液态电解质，锂离子通过在正负极间嵌入-脱出并与电子发生电荷交换后实现电能与化学能转换的新型高安全性锂二次电池。
作者综述了各种全固态锂电池的研究和开发现状，包括固态锂电池的构造、工作原理和性能特征，锂离子固体电解质材料与电极/电解质界面调控，固态整电池技术等方面，提出并详细分析了该技术面临的主要科学与技术问题，最后指出了全固态锂电池技术未来的发展趋势。
关键词：储能；全固态锂离子电池；固体电解质；界面调控1 全固态锂电池概述全固态锂二次电池，简称为全固态锂电池，即电池各单元，包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池，是从20 世纪50 年代开始发展起来的[10-12]。
全固态锂电池在构造上比传统锂离子电池要简单，固体电解质除了传导锂离子，也充当了隔膜的角色，如图 2 所示，所以，在全固态锂电池中，电解液、电解质盐、隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等都不需要使用，大大简化了电池的构建步骤。
全固态锂电池的工作原理与液态电解质锂离子电池的原理是相通的，充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固体电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。
放电过程与充电过程恰好相反，此时电子通过外电路驱动电子器件。
目前，对于全固态锂二次电池的研究，按电解区分主要包括两大类[13]：一类是以有机聚合物电解质组成的锂离子电池，也称为聚合物全固态锂电池；另一类是以无机固体电解质组成的锂离子电池，又称为无机全固态锂电池，其比较见表1。
通过表1 的比较可以清楚地看到，聚合物全固态锂电池的优点是安全性高、能够制备成各种形状、通过卷对卷的方式制备相对容易，但是，该类电池作为大容量化学电源进入储能领域仍有一段距离，主要存在的问题包括电解质和电极的界面不稳定、高分子固体电解质容易结晶、适用温度范围窄以及力学性能有提升空间；以上问题将导致大容量电池在使用过程中因为局部温度升高、界面处化学反应面使聚合物电解质开貌发生变化，进而增大界面电阻甚至导致断路。
金属锂枝晶生长机制及抑制方法
金属锂枝晶生长机制及抑制方法随着电动汽车、便携式电子设备等领域的快速发展，锂离子电池已成为主流的能源存储和转换装置。
然而，锂离子电池在充放电过程中存在着金属锂沉积和枝晶生长的问题，严重影响了电池的安全性和稳定性。
因此，理解金属锂枝晶生长机制及抑制方法对于优化锂离子电池性能具有重要意义。
金属锂枝晶生长是在电极电位、电流密度、电解质成分和温度等多种因素共同作用下发生的。
在锂离子电池充放电过程中，锂离子在正负极之间迁移，导致金属锂在负极表面沉积。
随着沉积锂量的增加，金属锂晶体逐渐长大并形成枝晶。
金属锂枝晶生长的影响因素主要包括电极电位、电流密度、电解质成分和温度。
电极电位影响锂离子在电极表面的沉积电位，进而影响枝晶的生长速率。
电流密度决定了锂离子的沉积速率，进而影响枝晶的形貌和大小。
电解质成分则通过影响锂离子扩散速率和电极反应动力学来影响枝晶生长。
温度则通过影响电极反应动力学和锂离子扩散速率来影响枝晶生长。
为了抑制金属锂枝晶生长，研究者们提出了多种方法，包括化学法、物理法和生物法等。
化学法主要包括添加抑制剂、改变电解质成分和改变电极材料等。
添加抑制剂可以干扰金属锂枝晶的生长过程，降低生长速率。
改变电解质成分可以改变锂离子的扩散速率和电极反应动力学，从而影响枝晶生长。
改变电极材料可以改变电极反应动力学和锂离子沉积电位，从而抑制枝晶生长。
然而，化学法可能会影响电池的能量密度和循环寿命，因此需要权衡优缺点。
物理法主要包括机械应力法、磁场法和脉冲电流法等。
机械应力法可以通过施加外部应力抑制枝晶生长，但需要精确控制应力大小和作用时间。
磁场法可以通过磁场干扰锂离子的扩散和沉积过程，从而抑制枝晶生长。
脉冲电流法可以通过施加脉冲电流改变电极反应动力学和锂离子沉积电位，从而抑制枝晶生长。
物理法的优点在于不改变电池的主体结构，但需要精确控制物理场的大小和作用时间。
生物法是一种新兴的抑制金属锂枝晶生长的方法，主要包括利用微生物和酶等生物活性物质。
硅基锂离子电池负极材料的研究进展
TheSocialAngle 社会广角Cutting Edge Education 教育前沿 31硅基锂离子电池负极材料的研究进展文/张梓涵摘要：硅基材料理论比容量高达4200mAh/g，是锂离子电池负极材料中理论比容量最高的研究体系。
又因其具有低嵌锂电位、高能量密度，硅基材料成为了近些年来被广泛研究的对象，有望替代碳负极材料成为新一代锂离子电池负极材料的选择之一。
但同时在电化学循环过程中，锂离子的嵌入和脱出会使材料体积发生巨大的体积膨胀（300%以上），使材料逐渐粉化，导致电极活性物质与集流体失去接触，并且伴随着结构的破坏，暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的容量衰减，因而导致电池循环性能的恶化。
本文介绍了硅作为锂离子电池负极材料的相关储能以及失效机理，重点综述了近几年来针对硅基负极材料出现的问题所进行的改性研究，涵盖硅复合材料的制备、性能与不同维度的结构设计等等，并对硅基负极材料在未来领域的应用做出了展望。
关键词：硅基负极材料；锂离子电池1 硅基负极材料工作原理及挑战在现今各种储能电池技术中，锂离子电池具有能量密度高、工作电压高（3.6v 左右）、使用寿命长、无记忆效应、快速可逆充放电、高库伦效率、环境友好（无铅、浓硫酸以及重金属污染物）、政府政策支持等优势，这使其在众多储能系统中脱颖而出，并已在小型电子产品如手机,笔记本电脑及数码相机等中得到广泛应用。
随着科技的进步和需求的增长, 锂离子电池从电子终端设备走向电动汽车和储能技术领域已经成为必然。
这就意味着电子设备对能量密度的需求随之提高，所以提高锂离子电池的能量密度自然成为了重中之重。
锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜、集流体和封装材料等组成。
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，对电池使用性能起到关键作用，近些年来被广泛研究。
现今主流的锂离子电池负极材料主要为石墨负极材料，其比容量为372mAh/g，远不能满足市场对下一代高能量密度锂离子电池的续航能力要求。
锂硫电池负极研究进展
锂硫电池负极研究进展庞辉;陈振宇;丁飞;刘兴江【摘要】锂硫电池由于其高能量密度(理论高达2 600 Wh/kg)、低成本、环境友好等优点而广受关注.但是锂硫电池仍存在正极活性物质利用率低、循环性能差等问题.同时,负极锂在电池循环过程中也不可避免存在锂枝晶等问题,对锂硫电池负极保护技术进行了详细的综述,最后对负极的发展前景进行了展望.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2016(040)008【总页数】4页(P1715-1717,1740)【关键词】锂硫电池;锂负极;锂保护【作者】庞辉;陈振宇;丁飞;刘兴江【作者单位】中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384【正文语种】中文【中图分类】TM911化学电源(电池)是将化学能转化为电能的一种装置。
近年来，电池在现代社会中扮演了越来越重要的角色。
近20年来，锂离子电池已经取得巨大商业成功，但受到理论能量密度的极限制约，难以满足新能源、技术飞速发展的需要，还需发展具有更高能量密度的二次电池体系。
在理论上，锂与硫完全反应后生成Li2S，可实现2电子反应，且单质硫的原子量明显轻于目前商业化锂离子电池的嵌入化合物正极材料，是最具潜力的高容量电极材料，其电极理论比容量可高达1 675 mAh/g，以硫与金属锂构建的锂/硫二次电池体系的[1-2]理论能量密度达2 600 Wh/kg。
此外，锂硫电池还具有原料来源丰富、成本低廉、环境友好等优点，符合电动汽车对动力电池的需求和便携式电子产品对化学电源的要求，成为高能电池技术领域的前沿与研究热点。
尽管与传统锂离子电池相比，锂硫电池具有如上文所述的明显优点，但仍然存在以下不足。
由于电化学反应中间产物聚硫离子(Sn2－，8≥n≥3)易溶于有机电解液[3]，产生飞梭现象(图1所示[4])和金属锂负极的腐蚀，造成锂硫电池活性物质的损失和较大的能量损耗。
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金属锂负极的能源化学新进展
在过去的几十年中，金属锂负极的研究已经取得了许多令人瞩目的进展。最初的钴酸
锂正极和金属锂负极结构已经被广泛应用于商业化的锂离子电池中。然而，随着电池功率
和能量密度的不断提高，金属锂负极也面临着一些挑战。这些挑战包括锂枝晶的生长、电
极界面的电化学稳定性和容量保持率等问题。
近年来，越来越多的研究工作将焦点放在金属锂负极的能源化学方面，旨在提高其电
化学性能和稳定性。以下是几个最新的研究进展。
1.石墨合成形貌的优化
传统的石墨负极使用的是天然石墨或者人造石墨，但这些材料的形态和结构并不理想，
容易导致锂枝晶的生长。因此，研究人员开始探索不同形态和结构的石墨材料，以改善负
极材料的性能。
最近，有研究人员成功合成出一种“松散石墨”，其结构中存在大量的微孔和缺陷，
能够提高锂离子扩散速率和容量保持率。此外，还有研究人员通过浸渍和热处理等方法，
成功合成出类似于花朵形状的石墨材料，其表面具有大量的微孔和纳米孔道，能够提高锂
离子的储存和扩散速率。
2.新型电解液的研究
电解液是金属锂电池中另一个重要的组成部分，其性能对电池的循环性能和安全性都
有着直接的影响。传统的电解液通常使用有机溶剂或者盐酸盐等成分，但这些成分存在着
挥发性强、易燃易爆、腐蚀性大等问题。
目前，有研究人员开始探索新型无机/有机混合电解液，以提高电池的循环性能和安
全性。例如，有研究人员使用硫酸铝和硫酸亚铁作为电解液成分，成功制备出高性能的金
属锂电池。此外，有研究人员还提出了一种新型的离子液体电解液，能够有效地抑制锂枝
晶的生长和提高电池的循环寿命。
锂盐是电池中的一种关键电解质，一般使用的是锂离子盐，例如LiPF6、LiTFSI等。
然而，这些传统的锂盐在高温环境下容易分解，导致电池性能的不稳定和安全性的下降。
综上所述，金属锂负极的能源化学研究是金属锂电池领域中一个非常重要的研究方向。
未来，研究人员仍然需要继续探索和开发新型的负极材料、电解液和锂盐等，以提高金属
锂电池的性能和稳定性，实现其在新能源领域的广泛应用。