第三代锂电池——无负极电池来了,会对锂电行业带来革新吗?

来源:知乎   2019-10-29  阅读数:

  第三代锂电池——无负极电池来了,会对锂电行业带来革新吗?前一段时间,张继光大佬在Nature Energy上发了一篇news&views(自然能源),简单的提到了这种新的无负极的电池设计方案所展现出的良好前景。

  注意啊,张继光大佬发话了,就表明了一种立场,或许这种idea是真的可行;而且,Dahn教授也真香了一回,在Nature Energy上发了篇大作。

在那之前,先讲一下锂电池这几种概念的延续发展情况:

  目前,锂离子电池(LIBs)已成为应用最广泛的储能系统之一。商用锂离子电池通常由多个电池堆组成,而每个电池由阳极集电体、阳极、分离器、阴极和阴极集电体结构组成,并浸泡在液体电解质中。在充电过程中,从正极材料中所提取的锂离子通过电解,浸出分离器扩散到负极材料中。在放电过程中,这一过程是反向的。

  目前,基于石墨的负极材料是电池行业负极材料的主要选择。近年来,全世界都在致力于用锂金属阳极取代石墨阳极。因为锂金属具有十倍于石墨负极的比容量,极具研究价值。但是,锂金属负极深受库伦效率较低的影响,目前经常只能达到99%,而石墨负极可以达到99.99%。因此,锂金属电池通常使用过量的锂阳极。这不仅增加了电池的体积和成本,而且由于锂金属的高反应活性,也带来了安全问题。

  在初始充电过程中,锂离子从正极中提取出来,以金属锂的形式电沉积到集电体(Cu)上。在随后的放电过程中,锂离子被从铜电流收集器中剥离出来,插入到正极中。由于在组装好的电池或完全放电的电池的阳极侧不存在锂金属,因此安全隐患大大降低。

  本来一开始我就觉得,anode-free这种idea真的可行性不大,毕竟当年那篇文章的确有炒概念的嫌疑,要么就是把负极给弄薄了,要么就是容量很低。但是不得不说,还是满能说的,最后的确能给人一种隐隐约约的想法。但是,我去查了查,发现张继光大佬在之前也做了一些工作效果的确也不错。

  这是当年那篇paper上的示意图,b是anode-free电池的示意图。

  当时所使用的两种电解液中的沉积形貌对比,其实差异还是蛮明显的。上面的对应1 M LiPF 6 -EC/DMC电解液,下面的对应4 M LiFSI-DME电解液。Dahn这次是用的是这种电池,由于没有多余的锂,体积被最小化了,同时能量密度被最大化了。以下为Dahn实验的示意图。这次他们使用了1 M LiDFOB和0.2M LiTFSI的FEC/DEC电解液,获得了非常好的性能。

  所以要我来说,这种所谓的第三代锂电池——无负极电池,在未来的很长一段时间内也仅仅只会是实验室中的小白鼠,被疯狂的进行实验。但是不得不说,这种新型的想法,的确是尤其独到之处,值得进行下一步的研究。但是要想投入产业应用的话,还是需要很长一段时间的。