研究背景

電動(dòng)汽車（EV）市場需要能量密度高、成本低的電池。在現(xiàn)有的可充電電池技術(shù)中，鋰離子電池的能量密度最高，如高爾夫車鋰電池、房車鋰電池。在成本方面，商用鋰離子電池的價(jià)格相對較低。然而，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場化，關(guān)鍵是BEV要達(dá)到500公里以上的續(xù)航里程，而且汽車的成本要低于4萬美元。

不幸的是，基于石墨陽極和過渡金屬鋰氧化物陽極的鋰離子電池幾乎不可能達(dá)到如此高的能量密度。為了提高能量密度，需要開發(fā)新的陽極和陰極電極材料。由于鋰金屬電池的超高容量和最低的電化學(xué)電位，它被認(rèn)為是最有希望取代石墨的陽極材料。

Li-LMO和Li-S等鋰金屬電池在能量密度和成本方面比LIB有壓倒性的優(yōu)勢，這為未來的長途和低成本電動(dòng)汽車行業(yè)帶來了巨大的機(jī)會(huì)。

 

成果介紹

近日，ACS Energy Lett.上有一篇題為 “Opportunities and Challenges of High-Energy Lithium Metal Batteries for Electric Vehicle Applications “的文章。

在能量密度和成本方面，鋰金屬電池比現(xiàn)有的鋰離子電池有巨大的優(yōu)勢，為長距離和低成本的電動(dòng)汽車提供了巨大的機(jī)會(huì)。在本文中，研究人員討論了高能量密度的鋰金屬電池在未來電動(dòng)汽車電池組和系統(tǒng)應(yīng)用中的要求和挑戰(zhàn)，并強(qiáng)調(diào)了這些領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

為了使電動(dòng)汽車成功取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，行駛距離和價(jià)格是最重要的考慮因素，另一個(gè)重要因素是電池壽命。隨著鋰金屬電池能量密度的增加，在相同大小或重量的電池組中可以儲(chǔ)存更多的能量。由于每次充電的驅(qū)動(dòng)距離更長，鋰金屬電池的循環(huán)壽命要求可能會(huì)降低。對于電動(dòng)車的應(yīng)用，鋰金屬電池要求至少有500-1000次的循環(huán)壽命。

鋰金屬電池的長循環(huán)壽命是在石墨陽極上形成了一個(gè)穩(wěn)定的固體電解質(zhì)中間相（SEI）層，它可以防止電解質(zhì)在循環(huán)過程中進(jìn)一步分解和剝落。然而，與石墨不同的是，鋰金屬陽極在反復(fù)電鍍或剝離過程中表現(xiàn)出較大的體積和形態(tài)變化。

 

 

操作溫度范圍

溫度對鋰金屬電池有很大的影響，電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和離子導(dǎo)電性會(huì)隨著溫度的變化而變化。在極端條件下，會(huì)引起火災(zāi)、氣體釋放和爆炸等安全問題。

人們發(fā)現(xiàn)，電池的性能在0℃以下會(huì)迅速衰減。這種衰減被認(rèn)為是由于較低的離子導(dǎo)電性，較高的電荷傳輸電阻，以及低溫下較低的鋰離子擴(kuò)散。在低溫下，陽極電極上會(huì)出現(xiàn)鍍鋰現(xiàn)象。

當(dāng)在高溫下工作時(shí)，鋰離子電池迅速老化，反映在電池容量和性能的快速下降。陰極和電解液之間的副反應(yīng)以及非活性電極組件的變化是高溫下老化退化的關(guān)鍵。

 

快速放電和充電

電池的高倍率能力對電動(dòng)汽車的性能至關(guān)重要。對于任何電動(dòng)汽車，需要再生制動(dòng)或 “加油 “的快速脈沖放電和連續(xù)充電儲(chǔ)能系統(tǒng)。鋰金屬電池高速運(yùn)行的一個(gè)挑戰(zhàn)是產(chǎn)生熱量，這增加了電池溫度，從而加速了電池的老化。另一方面，鋰陽極的形態(tài)和可回收性取決于剝離和電鍍的電流密度。

電池體積的變化。首先，鋰的無基質(zhì)沉積和溶解導(dǎo)致鋰陽極和整個(gè)電池在充電和放電過程中周期性地膨脹和收縮。鋰陽極的變化會(huì)使整個(gè)電池的體積發(fā)生約15%的變化。隨著陰極厚度的增加和鋰的過剩，這種相對體積的變化會(huì)減少。為了將鋰金屬電池技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車，需要對電池組進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)電池體積的這種周期性變化。

 

 

軟包電池在不同電解質(zhì)中的膨脹。另一個(gè)問題是電池在長時(shí)間循環(huán)后出現(xiàn)不可逆的膨脹。其根本原因是由于SEI和被SEI絕緣的 “死 “鋰顆粒的積累而形成的松散的粉末狀鋰結(jié)構(gòu)的增長，這是鋰和電解質(zhì)不可逆的連續(xù)反應(yīng)的結(jié)果。

 

 

安全問題

鋰金屬電池的防火安全是電動(dòng)汽車的一個(gè)主要考慮因素。具有高能量密度和高可燃性的鋰金屬電池對各種條件都很敏感，包括振動(dòng)、碰撞、過充或過放、外部短路、高溫等等。

濫用條件會(huì)破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，造成內(nèi)部短路，引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致熱失控，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題，如煙霧、氣體噴射、燃燒甚至爆炸。電池的自發(fā)故障和內(nèi)部短路也會(huì)導(dǎo)致安全隱患。此外，反復(fù)循環(huán)后形成的松散SEI和粉碎的 “死 “鋰也會(huì)造成安全問題。

 

用于電動(dòng)汽車的高安全性能鋰金屬電池解決方案

鋰金屬電池的挑戰(zhàn)主要來自于循環(huán)過程中鋰的結(jié)構(gòu)變化和不穩(wěn)定的SEI。解決方案的策略主要集中在三個(gè)方向，包括電解質(zhì)工程、鋰界面工程和鋰結(jié)構(gòu)工程。

電解質(zhì)工程。不同的電解質(zhì)對鋰的穩(wěn)定性不同，極大地影響了SEI的性能和鋰的沉積形態(tài)，導(dǎo)致循環(huán)庫侖效率和鋰金屬陽極膨脹的顯著差異。此外，電解質(zhì)決定了LMB的工作溫度范圍、高倍率性能和電池的安全性。

 

 

某些鹵化鋰、Cs和Rb鹽添加劑可以在不同的工作機(jī)制下實(shí)現(xiàn)無枝晶的鋰沉積，提高安全性。此外，除常規(guī)溶劑外，還開發(fā)了一種用于金屬鋰陽極的液化電解質(zhì)。

 

 

全固態(tài)電池(ASSBs)的制造成本可能比使用液體電解質(zhì)的LMBs更高。因此，基于金屬鋰的ASSB的發(fā)展仍處于早期階段。如果你想知道固態(tài)電池公司有什么，你可以點(diǎn)擊鏈接來了解。

界面工程。理想情況下，鋰上的SEI應(yīng)該是薄而均勻致密的，高彈性，高離子性，但導(dǎo)電性差。它能承受巨大的體積變化，并允許Li+快速通過，同時(shí)防止電解質(zhì)分解，使鋰陽極的高效無枝晶循環(huán)。由電解質(zhì)分解自然形成的SEI很難滿足所有這些要求。因此，在鋰電陽極上涂抹保護(hù)層或人工SEI是一種有效的方法。

鋰結(jié)構(gòu)工程。為了盡量減少鋰金屬負(fù)極的體積變化，一些三維集電體或預(yù)存鋰的穩(wěn)定主結(jié)構(gòu)已經(jīng)被引入。增加集電極和主體結(jié)構(gòu)的活性鋰表面，降低局部電流密度，從而提高放大性能，并通過離子通量均勻化抑制鋰枝晶的產(chǎn)生。

 

 

電池組裝策略

對于電動(dòng)汽車的應(yīng)用，鋰金屬電池總是以模塊的形式組裝，包括成百上千的大電池。因此，需要一個(gè)電池管理系統(tǒng)，這對電池的安全運(yùn)行至關(guān)重要。對于鋰金屬電池，研究人員認(rèn)為，電池管理系統(tǒng)至少應(yīng)包括三個(gè)功能，包括高級(jí)預(yù)檢測、壓力管理和熱管理。

先進(jìn)的預(yù)檢測

目前在電動(dòng)汽車中使用的電池健康監(jiān)測功能遠(yuǎn)不能檢測到即將發(fā)生的電池故障。然而，對于由金屬鋰基電池制成的電池組，有必要采用非破壞性的在線監(jiān)測技術(shù)來發(fā)現(xiàn)即將失效的電池。阻抗測量已被提議作為一種有效的方法，但仍然需要更多的系統(tǒng)研究。

壓力管理

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，最佳壓力也取決于電解質(zhì)。因此，設(shè)計(jì)帶有壓力管理系統(tǒng)的電池組結(jié)構(gòu)，監(jiān)測或控制壓力在最佳范圍內(nèi)，不僅可以提高電池性能，而且有利于電池組的安全運(yùn)行。

熱管理

對單體電池和電池組的熱失控進(jìn)行管理，防止電池或電池組在儲(chǔ)存或運(yùn)行過程中出現(xiàn)安全隱患。研究開發(fā)的主要內(nèi)容包括溫度分布、傳感器、熱傳導(dǎo)和電池管理系統(tǒng)控制等。

 

總結(jié)和展望
高能金屬鋰電池有望用于長距離和低成本的電動(dòng)汽車，但在實(shí)現(xiàn)長壽命、低體積變化、高安全性和在極端溫度下可靠運(yùn)行方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。