抑制锂枝晶的方法

抑制锂枝晶的碳纳米管负极的开发——大幅提高电流密度和寿命，实现大容量锂金属电极本文2168字，阅读约需5分钟摘要：日本的研究团队开发了一种利用由Super Growth法单壁碳纳米管（SGCNT）制成的片材抑制锂金属充放电过程中枝晶生长的技术，有助于高能量密度且大容量锂金属电极（负极）的实用化。

在锂离子二次电池中，锂金属与现有的负极材料（石墨等）相比，具有极高的能量密度。

然而，传统的负极技术存在以下课题：在充放电过程中，锂枝晶生长，导致电池的材料结构被破坏，从而影响电池寿命。

在本技术中，制造了一种具有高亲锂性、高比表面积和高孔隙率的SGCNT片材，通过将该片材夹持在隔膜与锂金属电极之间，显著提高了锂金属电极的寿命。

此外，该SGCNT片材可以批量生产，今后有望实现高性能锂金属电极的实用化。

关键字：碳纳米管负极、大容量锂金属电极、锂离子二次电池、SGCNT片材、高能量密度要点●由锂金属和单壁碳纳米管片材组合而成的负极极大地抑制了锂枝晶的生长●与单独使用锂金属的负极相比，可实现其5倍的电流密度和循环容量，以及20倍以上的寿命●单壁碳纳米管片材可以批量生产，加速下一代电池的实用化开发背景随着锂离子二次电池在物联网和电动汽车等中的应用扩大，需要开发一种更轻且更大容量的锂离子二次电池。

为此，开发了新型电极材料，以及全固态电池、空气电池、锂硫电池等各种形式的蓄电池。

其中，锂金属具有较高的能量密度，全球正在积极进行将其作为二次电池负极材料的研究。

然而，伴随着充放电，锂金属表面会生长锂枝晶，导致分隔负极和正极的隔膜破损，电池的材料结构发生变化，电池容量在短时间内降低。

因此，锂金属电极尚未投入实际应用。

本次报告的用于安全且可靠地利用锂金属电极的技术有望成为大幅提高锂离子二次电池性能的关键技术。

研究经过2004年，日本产综研开发了一种纯度高、长度长并且具有高比表面积和优异分散性的单壁碳纳米管SGCNT，并于2015年成功实现量产。

电解液添加剂抑制锂枝晶的原理电解液添加剂是一种用于锂电池中的电解液中的添加物，其作用是抑制锂枝晶的生成。

锂枝晶是指锂电池在充放电过程中，由于电解液中的锂离子在电极表面不均匀地析出和沉积，形成的锂金属枝晶。

锂枝晶的生成会导致锂电池内部短路和安全问题，因此抑制锂枝晶的生成是锂电池领域的一个重要研究方向。

电解液添加剂抑制锂枝晶的原理是通过改变电解液的化学成分和物理性质，影响锂离子在电解液和电极界面的传输和沉积行为，从而减少锂枝晶的生成。

具体来说，电解液添加剂可以通过以下几个方面发挥作用：1. 调节电解液中的溶剂：电解液中的溶剂是锂离子传输的介质，不同的溶剂对锂离子的溶解度和传输速率有不同的影响。

电解液添加剂可以调节溶剂的种类和浓度，改变溶剂的物理性质，从而影响锂离子的溶解度和传输速率，减少锂枝晶的生成。

2. 调节电解液中的溶质：电解液中的溶质是锂离子的载体，对锂离子的传输和沉积行为有重要影响。

电解液添加剂可以调节溶质的种类和浓度，改变溶质的物理性质，从而影响锂离子的传输和沉积行为，减少锂枝晶的生成。

3. 修饰电极表面：电解液添加剂可以在电极表面形成一层保护膜，阻止锂离子在电极表面的不均匀沉积，减少锂枝晶的生成。

4. 调节电解液中的添加剂：电解液添加剂可以增加电解液的粘度和表面张力，改变电解液和电极界面的界面张力差，减少锂离子的析出和沉积，从而减少锂枝晶的生成。

5. 抑制电解液中的杂质：电解液中的杂质会影响锂离子的传输和沉积行为，促进锂枝晶的生成。

电解液添加剂可以通过吸附、络合等作用，抑制电解液中的杂质的活性，减少锂枝晶的生成。

电解液添加剂抑制锂枝晶的原理是通过调节电解液的化学成分和物理性质，影响锂离子在电解液和电极界面的传输和沉积行为，减少锂枝晶的生成。

这种抑制锂枝晶的方法可以提高锂电池的安全性和循环寿命，促进锂电池技术的发展。

抑制锂枝晶的有效途径——高浓度LiFSI电解液随着科技发展，人类对能源的需求与日俱增，而目前商业化的锂离子电池（理论容量372mAh/g）已不能满足该需求，高容量密度电池的开发已成为研究热点。

锂金属具有高理论比容量（3860mAh/g），在储能领域有很大应用潜力。

然而锂枝晶的生长，不仅降低了电池性能，而且容易发生短路，造成安全隐患。

这些问题严重阻碍了锂金属电池的发展和实际应用。

为解决上述问题，科学家们提出了各种方案，如制备三维嵌锂基体、锂金属表面包覆、隔膜改性等。

但这些方式增加了电池整体重量，且制备过程繁琐，不利于商业化生产。

最近，Qian等通过对比不同电解液环境对锂枝晶生长的影响，提出高浓度LiFSI醚类电解液环境下，即使没有嵌锂基体，仍可有效抑制锂枝晶在铜集流体上的生长，同时，电池库伦效率也有显著提高。

Figure 1. Schematicillustrations of battery configurations. a) State-of-the-art Li-ion battery,i.e., Cu|C6||LiFePO4|Al. b) Anode-free battery,i.e.,Cu||LiFePO4|Al. 实验以Cu-LiFePO4电池为研究体系，分别选用1 MLiPF6-EC/DMC(1/2 v/v)酯类电解液和4 MLiFSI-DME醚类电解液进行对比。

实验结果表明随着循环次数增加，酯类电解液环境下电池电阻增加明显，而4 MLiFSI-DME醚类电解液环境下，电阻增幅较小。

而且在4 MLiFSI-DME环境下，多次循环后平均库伦效率大于99%。

即使在2 mA cm-2电流密度下，库伦效率仍接近100%。

另外，该研究发现通过调节测试条件，也可提高库伦效率。

当锂以0.2 mA cm-2沉积，2mA cm-2脱出时，平均库伦效率可达99.6%，高于一直以0.2 mA cm-2/2mAcm-2进行循环的库伦效率。

锂离子电池在工作过程中，锂枝晶的形成是一种可能引发爆炸的安全隐患。

锂枝晶是在电池充放电过程中，锂离子在负极表面不均匀沉积而形成的树枝状结构。

随着锂枝晶的不断生长，它可能刺穿隔膜，导致电池内部短路和温度升高。

当温度达到一定程度时，电解液中的有机溶剂可能发生放热化学反应，进一步加剧温度的升高，最终导致电池热失控和爆炸。

为了避免锂枝晶导致的爆炸风险，可以采取以下措施：
1. 控制充电速度和电流：避免过快的充电速度和过大的电流，以减少锂离子在负极表面的不均匀沉积。

2. 使用更安全的电解液：研究新型的电解液，以提高其热稳定性和减少放热化学反应的可能性。

3. 电池管理系统：采用先进的电池管理系统，实时监测电池的状态，包括温度、电压和电流等，以及时发现和防止异常情况。

4. 加强电池安全设计：改进电池的结构设计，增强电池的机械强度和隔膜的安全性，以防止锂枝晶刺穿隔膜。

此外，对于消费者来说，在使用锂离子电池时，应遵循制造商的使用说明，避免过度充电、过度放电和高温等不安全的使用条件，以减少电池爆炸的风险。

如何抑制金属锂枝晶生长？锂金属电池是指利用金属锂作为负极的电池，与其相搭配的正极材料可以是氧气、单质硫、金属氧化物等物质，其很有可能成为下一代储能电池。

锂金属负极以其极高的理论容量和最负的电势受到研究人员的极大关注，但是，在锂离子反复沉积和析出过程中，金属锂负极表面容易生长出锂枝晶，不仅大大降低了电池的利用率，同时还有可能导致电池短路，造成安全隐患。

如何能够抑制金属锂枝晶生长？本文将对现有的方法进行总结。

电解液修饰金属锂与大部分的电解液都不能稳定存在，在初始的钝化过程之后，电解液与金属锂的反应产物可以稳定地保护在负极表面而阻止进一步反应的发生。

该方法不需要大幅度地更改电极和电池制造工艺，在经济上可行性较高。

目前发现的有成膜添加剂、沉积添加剂、非原位固态电解质界面膜添加剂等。

固态电解质固态电解质具有高锂离子电导率、高锂离子迁移数、优良电化学及热稳定性、机械性能，因此成为当前的研究热点。

采用固态电解质可以部分或者完全解决液态电解质稳定性差和安全隐患这些难题。

同时，固态电解质拥有较高的机械模量，可以较好地起到抑制枝晶生长的作用。

将液态电解液替换成固态电解质有望解决电池大规模应用时的安全风险问题。

但是，其较低的离子导率限制其大规模应用。

高盐浓度电解液高盐浓度电解液指盐浓度超过2M的电解液体系，可以视为液态电解液和固态电解质的中间过渡状态，它既拥有液态电解液的高离子导率，又拥有固态电解质的高安全性和枝晶抑制能力，同时其在提高电池的库仑效率和循环寿命方面表现了重要的优势。

但是价格较为昂贵，随着锂电池的大规模使用，单位成本可能会逐渐降低。

纳米化电解液纳米化电解液也表现出了准固态电解质的性质，表现了优异的抑制枝晶生长的效果，具有提高锂金属电池循环寿命的潜力。

但是制备过程比较复杂，材料成本较高。

结构化负极当金属锂存在一个骨架时，其不仅可以较好地抑制枝晶的生长，而且能够缓解在充放电过程中的体积膨胀问题。

因此，通过金属锂中引入骨架，是实现金属锂的安全高效运转的新途径。

126对于锂金属电池负极的枝晶抑制方法分析周子健（南京邮电大学，江苏 南京 210000）摘 要：金属锂负极凭借着超高的容量( 3860 mAh· g －1）和极低的还原电势( －3. 040 V vs 标准氢电极）以及优异的机械柔性等优点而被称为二次电池最具有潜力的负极材料。

“锂金属电池”技术是一项工程突破，它可以极大地提高电池的性能，提升电池的电量持久力，对人类的发展具有重大的意义。

然而，锂电池在充电过程中锂离子还原时其反复沉积和析出过程中负极表面容易形成树枝状金属锂，即锂枝晶。

一方面锂枝晶的存在会刺破隔膜，并会与电池的正极接触从而造成电池内部短接，甚至有可能引发爆炸等安全问题；另一方面锂枝晶的不断生长也会严重缩短电池的寿命，大大降低电池的利用率。

本篇对于金属锂的枝晶问题进行研究，首先介绍金属锂枝晶的生长模型，然后对锂负极枝晶的抑制方法进行简述与总结。

关键词：锂金属电池；金属锂枝晶；抑制方法；生长模型中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2019）03-0126-2收稿日期：2019-03作者简介：周子健，男，生于1998年，汉族，辽宁沈阳人，南京邮电大学材料物理专业在读随着人类社会地不断进步，高端通信终端、电动汽车（EV）、航空航天、大型储能站等新兴行业已经进入了快速发展的阶段，因此对于能量的存储与转换方面提出了更高的要求。

现在使用的锂离子电池虽然其能量密度在通过调节后已经能够接近其理论值，但却远不满足人类预期要求的能量水平。

人们急于发展更加高效的电极材料来满足生产生活的需求。

金属锂负极有着超高的容量( 3860 mAh· g －1）、很低的还原电势( －3. 040 V vs 标准氢电极）、最低的密度（0.59gcm -3）以及良好的机械柔性等特点，具有成为满足当前发展要求电极的巨大潜力。

然而，金属锂负极表面容易产生锂枝晶。

一方面，锂枝晶的存在会破坏电池的隔膜，与电池的正极相接从而使电池短路，有可能引发爆炸等安全问题。

专利名称：一种抑制固态电解质界面锂枝晶的方法及应用专利类型：发明专利
发明人：范立双,官佺,张乃庆
申请号：CN201910425122.8
申请日：20190521
公开号：CN110137566A
公开日：
20190816
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种抑制固态电解质界面锂枝晶的方法及应用，属于固态电解质技术领域。

该方法通过缓冲层降低界面电子电导率来实现抑制石榴石型电解质界面锂枝晶形成的方法。

所述方法步骤如下：首先使用固相反应法制备固态电解质片，随后将一定量球磨后的红磷覆盖在固态表面，并用圆筒压平。

与其他方法相比，红磷作为缓冲层具有低成本、极差的电子电导率和较高的离子电导率的特点，不仅可以有效的抑制锂枝晶的形成，而且不会影响材料原有的性能以及不会增加生产成本。

申请人：哈尔滨工业大学
地址：150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
国籍：CN
代理机构：哈尔滨龙科专利代理有限公司
代理人：高媛
更多信息请下载全文后查看。

解决锂枝晶的方法嘿，咱今儿就来唠唠解决锂枝晶这档子事儿！你说这锂枝晶啊，就跟那调皮捣蛋的孩子似的，老在电池里惹事儿。

它一旦出现，那电池的性能可就大打折扣啦，就好比一辆好车没了好油，跑起来都不带劲！那怎么解决它呢？这可得好好琢磨琢磨。

咱可以从电池的设计入手呀，就像给房子打个好根基一样。

把电池的结构设计得更合理些，让锂离子能顺顺畅畅地跑起来，别在那磕磕绊绊的，不就减少锂枝晶形成的机会了嘛。

还有啊，咱可以在电解质上做做文章。

电解质就像是锂离子的跑道，把这跑道修得平平整整、光滑无比，那锂离子不就能撒欢儿跑了嘛，锂枝晶也没那么容易冒出来啦。

比如说，咱可以找些性能更好的电解质材料，这就跟给运动员换上更好的跑鞋似的，效果肯定不一样啊！再就是控制充电和放电的条件啦。

你想想，要是你跑步的时候一会儿猛冲，一会儿又急停，那多容易受伤啊。

电池也一样啊，给它一个稳定合适的充放电环境，别一会儿快充得要命，一会儿又猛地放电，那锂枝晶也不容易长出来呀。

这就好比咱吃饭得有规律，不能暴饮暴食，不然肠胃能好嘛！另外呢，咱还可以给电池加点“保护剂”，就像给人打预防针似的，提前预防锂枝晶的出现。

这些保护剂可以在锂离子的周围形成一层保护膜，让锂枝晶没那么容易形成。

咱还可以在电池的使用过程中多留意留意。

就像咱照顾自己身体一样，要是觉得哪儿不舒服了，赶紧调整调整。

要是发现电池有啥异常，赶紧采取措施呀，可别等问题严重了才着急。

你说，要是能把这些方法都用上，那锂枝晶还能那么嚣张吗？咱不就可以让电池乖乖听话，好好为咱服务啦！咱可不能小瞧了这锂枝晶，得重视起来，想办法把它给解决咯。

不然，以后那些电动汽车、电子设备啥的，不都得受影响嘛。

咱得为了科技的进步，为了更好的生活，努力去解决这个小麻烦呀，你说是不是？所以呀，大家都行动起来，一起攻克这个难题，让锂枝晶不再成为我们的困扰！。

物理抑制锂枝晶生长,电化学传质促进锂均匀沉积-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述锂金属作为一种重要的负极材料，具有高比容量和低电压平台的优势，在锂离子电池中具有重要的应用前景。

然而，锂枝晶生长和不均匀沉积等问题严重制约了锂金属的应用性能。

为了解决这一问题，本文探讨了物理抑制锂枝晶生长和电化学传质促进锂均匀沉积的方法，旨在提高锂金属负极在锂离子电池中的循环稳定性和安全性。

通过对界面结构、温度控制、材料表面涂层、电解液成分、电流密度和电极表面形貌等因素的研究分析，总结了物理抑制和电化学促进相结合的综合应用对锂金属负极性能的提升作用。

通过本文的研究，希望为未来锂金属电池的设计与制备提供参考，并展望可能的研究方向和发展趋势。

1.2 文章结构文章结构部分应该包括对整篇文章各部分内容的简要介绍。

在这篇文章中，我们首先介绍了物理抑制锂枝晶生长的方法，包括界面结构的影响、温度控制和材料表面涂层对锂枝晶生长的影响。

接着我们讨论了电化学传质促进锂均匀沉积的方法，包括电解液成分、电流密度和电极表面形貌对锂沉积均匀性的影响。

最后，我们结合物理抑制和电化学传质的方法，提出了综合应用的可能性，并探讨了未来可能的研究方向。

文章的结构清晰明了，旨在探讨如何通过物理抑制和电化学传质相结合的方法来提高锂电池的性能并解决锂枝晶生长和沉积不均匀的问题。

分的内容1.3 目的本文旨在探讨物理抑制锂枝晶生长和电化学传质促进锂均匀沉积两种方法在锂金属电池中的应用。

通过深入研究界面结构、温度控制、材料表面涂层等因素对锂枝晶生长的影响，以及电解液成分、电流密度、电极表面形貌等因素对锂沉积均匀性的影响，探讨如何通过综合运用这两种方法来解决锂金属电池中存在的问题，提高电池的循环寿命和安全性。

同时，本文还将对可能的未来研究方向进行展望，为未来在这一领域的研究提供参考。

通过本文的研究，可以为锂金属电池的改进和发展提供理论支持和实际操作指导。

``请编写文章1.3 目的部分的内容2.正文2.1 物理抑制锂枝晶生长锂枝晶生长是锂金属在充放电过程中容易产生的一种现象，会导致电极表面出现突起的锂晶体，降低充放电效率并增加安全风险。