研究背景

電動汽車（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格相對較低。然而，要實現(xiàn)大規(guī)模市場化，關(guān)鍵是BEV要達到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汽車行業(yè)帶來了巨大的機會。

 

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汽車提供了巨大的機會。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汽車電池組和系統(tǒng)應(yīng)用中的要求和挑戰(zhàn)，并強調(diào)了這些領(lǐng)域的最新進展。

為了使電動汽車成功取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，行駛距離和價格是最重要的考慮因素，另一個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存更多的能量。由于每次充電的驅(qū)動距離更長，鋰金屬電池的循環(huán)壽命要求可能會降低。對于電動車的應(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)動力學(xué)和離子導(dǎo)電性會隨著溫度的變化而變化。在極端條件下，會引起火災(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℃以下會迅速衰減。這種衰減被認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散。在低溫下，陽極電極上會出現(xiàn)鍍鋰現(xiàn)象。

當(dāng)在高溫下工作時，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汽車的性能至關(guān)重要。對于任何電動汽車，需要再生制動或 “加油 “的快速脈沖放電和連續(xù)充電儲能系統(tǒng)。鋰金屬電池高速運行的一個挑戰(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。鋰陽極的變化會使整個電池的體積發(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減少。為了將鋰金屬電池技術(shù)應(yīng)用于電動汽車，需要對電池組進行適當(dāng)設(shè)計，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。另一個問題是電池在長時間循環(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汽車的一個主要考慮因素。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、碰撞、過充或過放、外部短路、高溫等等。

濫用條件會破壞結(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 “鋰也會造成安全問題。

 

用于電動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制下實現(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，需要一個電池管理系統(tǒng)，這對電池的安全運行至關(guān)重要。對于鋰金屬電池，研究人員認為，電池管理系統(tǒng)至少應(yīng)包括三個功能，包括高級預(yù)檢測、壓力管理和熱管理。

先進的預(yù)檢測

目前在電動汽車中使用的電池健康監(jiān)測功能遠不能檢測到即將發(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行。

熱管理

對單體電池和電池組的熱失控進行管理，防止電池或電池組在儲存或運行過程中出現(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汽車，但在實現(xiàn)長壽命、低體積變化、高安全性和在極端溫度下可靠運行方面面臨嚴峻挑戰(zhàn)。