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突破更多燒結(jié)應(yīng)用場景
發(fā)布時間：2020.03.16
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? 金屬鋰是一種銀白色的金屬，具有質(zhì)地輕，延展性好，導(dǎo)電性強(qiáng)等優(yōu)點，它的電化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡姌O電位為-3.045V，理論比容量高達(dá)3860mAh g-1，是目前發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量比能量最大的金屬之一。但是，金屬鋰直接作為電池負(fù)極材料依然存在很多問題。例如：金屬鋰非?；顫姡瑫c空氣或水發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致電池的組裝困難；充電時，沉積的鋰會與電解液發(fā)生反應(yīng)而無法繼續(xù)參加循環(huán)，導(dǎo)致庫倫效率低；由于金屬鋰表面形態(tài)的不均勻，導(dǎo)致表面電荷分布不均勻，枝晶的產(chǎn)生會刺穿隔膜造成電池短路，引發(fā)安全隱患。
直接對金屬鋰負(fù)極進(jìn)行改性是提高金屬鋰電池性能最直接也是最有效的方法。改性后的金屬鋰負(fù)極可以不經(jīng)過任何附加的電化學(xué)過程直接應(yīng)用于Li-S電池和Li-O2電池中。到目前為止，針對金屬鋰負(fù)極的改性方法主要有三種：（1）金屬鋰電極表面包覆改性；（2）采用復(fù)合金屬鋰電極；（3）金屬鋰合金電極以及金屬鋰粉末經(jīng)鳳谷多功能鋰電材料燒結(jié)窯燒結(jié)后的電極。
金屬鋰粉末電極是目前新形態(tài)鋰負(fù)極中研究較多的一種電極。鋰粉的常用制備方法為滴液乳化技術(shù)（DET）：將金屬鋰（熔點：180.54℃）置于245℃硅油中熔融，以25000-30000rpm速度進(jìn)行分散均勻，冷卻至室溫，將鋰粉過濾后，使用環(huán)乙烯、己烷等有機(jī)溶劑多次清洗后，即可制得直徑約為10-40μm的鋰粉（比表面積約是鋰片的５倍）。
增大金屬鋰電極的表面積可以抑制鋰枝晶的生長。由于粉末具有較大的比表面積，若采用粉末鋰電極可以降低電流密度，減小電極極化。
Kwon等將金屬鋰熔融之后與熱硅油混合成乳濁液，冷卻后析出固態(tài)鋰粉末，將篩選出的粒徑為20~40μm的鋰顆粒與粘結(jié)劑PVDF混合制備出金屬鋰粉末電極。這種方法制備的電極在大電流充放電和低溫下的循環(huán)性能都得到明顯改進(jìn)。Yoon等則分別在金屬鋰粉末電極的表面包覆LiF和蠟層，減小了電極的電阻提高了電極的穩(wěn)定性，從而提高了金屬鋰的循環(huán)性能。
上述相關(guān)的課題組還報道了用微乳液法制備金屬鋰粉末電極的研究方法，制備出的粉末鋰如圖所示。在不同的電流密度下對循環(huán)前后的粉末鋰負(fù)極進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其能夠保持良好的原始形貌，且枝晶的形成得到了明顯的抑制。
利用微乳液法制備出的金屬鋰粉末電極的SEM圖
Heine等研究者對比了包覆的鋰粉末制備的粉末電極（CLiP）與鋰金屬箔電極的性能，認(rèn)為鋰粉末電極具有兩大優(yōu)勢，一方面粉末電極具有更大的電化學(xué)活性表面積，局部電流密度減小，可以抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，另一方面，鋰粉末電極可以更加精確地控制鋰在電極上的載量，提高鋰電池的能量密度。研究發(fā)現(xiàn)鋰粉末電極對循環(huán)穩(wěn)定性、庫倫效率、鋰沉積/溶解的極化和電極形貌等方面均有明顯的改善作用。
Jin-Suk Kim等通過SEM觀察鋰粉電極的溶解-沉積表面行為。對于使用普通鋰箔的電池，鋰的溶解-沉積僅在鋰箔表面發(fā)生，在多次充放電后，鋰枝晶產(chǎn)生并不斷積累。然而使用鋰粉的電池，鋰的溶解-沉積行為在整個鋰電極發(fā)生，并有效抑制了鋰枝晶的集聚，多次充放電后鋰粉電極形態(tài)變化不大。
M.S.Park等在Li-MnO2中分別使用鋰粉（平均直徑20μm）和鋰箔作為負(fù)極。與使用鋰箔的電池相比，使用鋰粉的電池比容量更高、內(nèi)部阻抗更小、脈沖性能更加優(yōu)異。通過BET測試發(fā)現(xiàn)，由于鋰粉比表面積更大，有著較大的反應(yīng)面積，可有效減弱放電電流密度，因此在大電流放電下，該種電池有著較好的應(yīng)用前景。
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