鋰離子電池的發(fā)展與金屬鋰負極的全面解讀

　　說起鋰離子電池就不得不提起日本的索尼公司，在1992年日本索尼公司推出了全球首款以碳材料為負極，含鋰金屬氧化物為正極的商用鋰離子電池，這也標志著一個全新儲能時代的到來，隨后經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鋰離子電池的各項性能逐步提高，幾乎已經(jīng)占領(lǐng)了整個消費電子市場。其實在索尼公司推出鋰離子電池之前，采用金屬鋰負極的鋰電池已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，但是受制于金屬鋰負極的安全性問題，使得當時的鋰電池只能作為一次電池使用，并且高昂的成本也極大的限制了鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域，因此在消費級市場很難見到鋰電池的身影。

　　隨著索尼推出首款商業(yè)化鋰離子電池，鋰離子電池在與鋰電池的競爭中暫時占據(jù)了上風，但是隨著人們對能量密度要求的不斷提高，鋰離子電池已經(jīng)很難滿足日益提高的比能量的需求，于是具有高比容量天然優(yōu)勢的金屬鋰負極上演了一場“王者歸來”大戲，今天我們就帶大家跟隨斯坦福大學的Dingchang Lin，Yayuan Liu和Yi Cui的腳步，一起對金屬鋰負極進行一次全面而深刻的剖析。

　　金屬鋰的比容量為3860mAh/g，電化學勢為-3.04V（vs標準氫電極），是一種非常理想的鋰電池負極材料。如上圖所示，目前鋰離子電池的比能量可達250Wh/kg，但是如果我們將鋰離子電池的負極更換為金屬鋰，那么我們就可以獲得440Wh/kg的比能量，而像Li-S和Li-空氣電池比能量則能夠達到650Wh/kg和950Wh/kg的比能量。要使用金屬鋰作為鋰離子電池的負極材料，我們還需要克服一下幾個難題：安全性和循環(huán)壽命。困擾金屬鋰負極的主要問題主要是鋰枝晶的問題，如下圖所示，在循環(huán)過程中，由于局部極化的因素，使得金屬鋰表面生長鋰枝晶，當鋰枝晶生長到一定程度的時候就可能穿透隔膜，引發(fā)安全問題，此外如果鋰枝晶發(fā)生斷裂，就會形成“死鋰”，造成電池容量損失，因此鋰枝晶是擋在金屬鋰負極應(yīng)用路上最大的障礙。