【会议报告】用于下一代金属锂电池的锂复合负极技术

电动汽车和新型电子设备对锂电池的性能提出更高的要求。基于锂负极的金属锂电池是达到500Wh/kg能量密度的最可能候选者。因此，开发稳定高效的金属锂负极具有重要的理论和应用价值。

锂金属电池的发展

锂金属电池的组成部分主要包括金属锂负极，隔膜，电解液和正极。

1912年，锂金属电池被美国化学家Gilbert Newton Lewis首次提出。

随后经过60年的发展，到20世纪70年代，美国埃克森美孚公司的Stanley Whittingham采用TiS₂作为正极，金属锂为负极，研制出了第一个实际的锂金属电池。

紧接着，到20世纪80年代，加拿大Moli Energy公司选用MoS₂作为正极与金属锂负极组装成了世界第一款商业化的锂金属电池。

但这些金属电池在使用过程中会有大量的锂枝晶形成，从而使得电池的安全性和可实用性极大的降低。随之，陆陆续续发生了多起锂金属电池爆炸事件。

1982年Yazami教授首次将石墨应用于固体聚合物锂离子电池负极，表明石墨炭材料是可以实现可逆储锂的。

1991年，日本Sony公司率先将石油焦作为负极应用于商业化锂离子电池中，开创了以碳为负极材料的体系，锂离子电池就此问世。

1993年，日本大阪公司成功将中间相炭微球（MCMB）作为负极应用于锂离子电池中。

石墨负极被作为传统理离子电池的最佳选择，并一直沿用至今。

《中国制造2025》明确规定，动力电池能量密度规划为：2020年-300Wh/kg；2025年-400Wh/kg；2030年-500Wh/kg。

锂负极的金属锂电池是达到500Wh/kg能量密度的最可能候选者，预计在未来市场锂金属电池将占据锂电池市场的大部分份额，成为行业的主流产品。

锂金属电池的优势

目前商业化的锂离子电池普遍使用石墨作为负极，其理论比容量仅为372 mAh g^-1已难以满足电动车与便携电子设备快速发展的需求，因此需要开发容量更高 的材料来代替石墨。现有的负极材料中，金属锂具有最高比容量（~3860 mAh g^-1）、 低密度（~0.59g cm^-3）和最低氧化还原电位（-3.04V vs .标准氢电极）等优点。

如采用金属锂负极替换石墨负极，锂金属-LMO电池可以达到440 Wh kg^-1的比能量。

金属锂负极不仅可极大地提高当前锂离子电池的能量密度，还能促进高能量密度的Li-S（~650Wh kg^-1）及Li-O₂（~950Wh kg^-1）等电池体系的发展。

从体积能量密度角度来看，Li-O₂电池的体积能量密度（~1100Wh L^-1）可接近于石油（~1250Wh L^-1）。

锂金属电池存在的问题

金属枝晶是电沉积过程中的一种现象，锂在多次电沉积过程中倾向于树枝状生长。除了在溶解过程中枝晶与电极分离会降低充放电效率外，严重时枝晶会刺穿隔膜并导致电极短路，产生严重安全问题，使电池存在起火爆炸的风险。

Li是一种活泼金属，会与电解液发生不可逆的连续反应形成较厚的固态电解质界面（SEI）膜，增加电解液的消耗且增大电池的内阻。

Li金属负极在充放电过程中的体积膨胀是另一个问题，除破坏极片整体结构导致电池失效外，体积的大幅变化会使 SEI 断裂，加剧Li枝晶与死Li的产生。

同时，SEI 膜的反复断裂与形成也导致电解液的持续消耗。

这些问题在高电流与高面容量的条件下会更加显著。

解决方案

利用三维多孔结构来适应锂电镀/剥离过程中无限的体积变化被认为是稳定金属锂负极的重要策略，一些研究成果表明，构建三维多孔集流体可以有效抑制枝晶的生成以及避免过多电解液的消耗。三维多孔集流体具有大的比表面积，这能降低电极表面的局部电流密度，实现稳定的锂成核。三维多孔集流体中存在的大量空隙也可缓解锂沉积时引起的体积膨胀。

针对各类负极材料的产业化技术与国内外市场状况，中国粉体网将于10月25-26日在东莞举办第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛。届时，广东工业大学“百人计划”特聘教授施志聪将作题为《用于下一代金属锂电池的锂复合负极技术》的报告。报告将介绍基于具有多级孔结构的亲锂纳米改性的集流体的复合锂电极的设计、制备、性能、反应机理、表面保护及电池应用。

专家简介：

施志聪，广东工业大学“百人计划”特聘教授，博士生导师，电池研究所所长。担任中国硅酸盐学会固态离子学分会理事，中国化学与物理电源技术协会专家委员会委员，中国储能与动力电池及其材料专业委员会委员。专注于锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、固态电池的应用基础研究，承担国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划“新能源汽车”专项、广东省科技厅产学研合作“新能源汽车”重大专项等项目20多项。发表学术论文130多篇，获得授权中国发明专利28个，培养博士后和研究生50多人。

参考来源：

徐凌. 海胆状 Cu/Cu3N 纳米材料的制备及其在金属锂负极三维集流体中的应用

刘天存. 三维自支撑亲锂集流体的构建及用于金属锂负极性能研究

吴宝亮等. 石墨负极材料的发展历史与研究进展

《中国制造2025》

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第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛

作为锂离子电池关键材料之一，负极材料对锂离子电池的最终性能起着至关重要的作用。高能量密度、高功率密度动力锂离子电池的性能优化需要依托于负极材料的技术创新突破，因此高性能负极材料成为目前锂离子电池的研究热点之一。石墨负极因其自身的优势长期主导着负极材料市场，但随着整个市场对高能量密度和长循环稳定性的负极材料需求的提升，硅基负极、金属氧化物和硫化物负极、金属锂负极等多种新型负极材料的研发正如火如荼地进行，并展现出良好的应用前景。

为加快锂电负极材料行业的发展，我们诚邀产业链上下游知名专家与大型企业共聚于此， 针对各类负极材料的产业化技术与国内外市场状况，中国粉体网将于2023年10月25-26日（24日签到）在东莞举办“第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛”，旨在为负极材料产业链上中下游企业搭建深度交流的平台，开展产、学、研合作，助推负极材料行业持续健康发展。

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