【复合材料信息】快充锂基充电电池负极界面设计

03-01 06:32

选题背景

开发具有高能量密度和快速充电能力的锂基充电电池对于满足便携式电子产品、电动汽车、电网能量储存等高速发展的需求尤为重要。但目前石墨负极的电荷转移动力学缓慢，限制了石墨基锂电池的快速充电性能。合金负极、锂金属负极等高容量负极的使用，虽然可以显著提高电池的能量密度，但面临着充放电过程中体积变化大、副作用严重等问题。高能密度锂基可充电电池的快充性能和循环寿命受到严重限制。

内容表述

根据负极界面在电池中所处的物理/化学环境，作者将负极材料的页面分为“外部面”和“内部面”。活性材料与电解液之间的外部表面可以物理隔离活性材料和电解液，促进锂离子去溶剂化和锂离子在界面上的扩散，影响电化学反应动力学。内部界面嵌套在负极材料内部，可以有效增加反应面积，提高反应动力学，对于提高高容负极的结构稳定性和反应速度至关重要。结合典型的界面设计案例，总结了内外页面的设计策略，提出了增强锂基充电电池快速充电能力和循环寿命的外界面和内界面设计原则。本文最终探讨了负极界面工程的科学设计方向和基本原则，以支持其在各种环境中得到更广泛的应用。

具体核心内容如下：

图1显示了充电过程中的锂离子和电子传输过程，例如LiCoO2||石墨电池。突出了界面设计对于提高负极快速充电能力的重要性。

图2根据电池中界面的物理/化学环境对电极类型和界面类型进行了分类，外部表面是指活性材料和电解质之间的页面。外部为固液相界面，在物理上将活性材料与电解液隔离，产生电荷转移过程。所以，对负极的电化学反应动力学和稳定性起着关键作用。该界面可通过界面工程构建，也可通过电化学形成循环中的电化学反应构建，即固态电解质界面。（SEI）。内部界面为固相界面，封装在负极材料内部，实现与电解质的直接物理隔离，增加电化学反应面积，提高电化学反应动力学。

图3显示了通过外界面设计促进锂离子在界面传输速度的典型案例，可以引入高离子电导率成分(如Li3P)、Li3N等）、提升电解液(形成含有无机成分 SEI 膜)可以促进锂离子在页面上的传输。

图4显示了通过外界面设计促进锂离子去溶剂化的典型案例。锂离子去溶剂化过程可以通过引入高吸附能量、低配位数的成分(如Li3P)来显著促进。同时，这一部分还分析了外部表面和电解液的相互作用。

图5显示了通过内部界面设计增加内部反应面积和调节锂离子传输路径的典型案例。高容量负极的使用将带来新的挑战，包括慢嵌锂动力学和充放电过程中明显的体积膨胀。各种因素最终导致负极的快速充电和放电能力下降，以及电极或材料结构在一定循环次数后的衰退。所以，材料内部界面设计具有重要意义。为了保证这些高容负极的长期稳定性，内部交联的独特结构有助于提高材料利用率，加速电化学反应动力学。并且活性材料与可用于电化学反应的功能相之间的丰富接触面提高了电化学反应动力学。

图6显示了一个典型的案例，通过调节电极坎坷度和调节锂离子转移数来提高厚电极的快速充放电能力。增加负极活性成分的承载能力可以有效降低电池中惰性组件的重量比例，如集流体和隔膜，从而提高整体能量密度，但不可避免地会增加电极的厚度。厚电极中的离子传导可以通过降低电极的迂曲度和构建液/固双相锂离子转移路径来改变，从而提高电池的快速充放电能力。

图7显示了通过建立内部界面来增加锂金属箔反应面积的典型案例。与多孔颗粒电极相比，箔电极的电化学反应面积明显减小，因为纯箔电极只与电解液接触的顶部表面有电化学反应。电化学反应面积有限，锂离子在锂金属箔电极中扩散缓慢，最终导致电化学反应速度低，导致锂枝晶生长。内部页面的设计将电化学反应位点从电极表面转移到箔状电极内部，既能抑制电解质的腐蚀，又能提高电化学反应面积。将具有高锂离子/电子导电性的框架引入锂金属箔电极，将室内空间划分为微反应区，为电极内部高效的锂离子/电子扩散提供了大量的内置通道，从而显著提高了电化学反应动力学。

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