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            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略
            【文章信息】

            論文標題:金屬電池中的枝晶應對策略

            第一作者:Muhammad Kashif Aslam

            通訊作者:徐茂文*

            通訊單位:西南大學

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略
            【研究背景】

            隨著電子器件和大規模儲能系統的日益多樣化,對儲能技術提出了巨大的需求和挑戰。用鋰、鈉、鉀、鋅等金屬取代容量上限低的石墨、硅碳、硬碳等傳統陽極被認為是探索高能密度系統的絕佳策略。然而,這些所謂的金屬電池(MBs)也面臨著諸多亟待解決的問題,比如高陽極反應性、樹枝狀生長和高安全風險。其中,枝晶的生長是一個相當嚴重的問題,已引起了眾多材料科學家和電池研究者的關注。枝晶的形成會增加金屬陽極的表面積并誘導固體電解質界面(SEI)膜的破裂和重構,這很可能導致電解液的過度消耗和死金屬的形成,從而引發潛在的短路等安全風險。因此,迫切需要尋找先進且高效的技術以抑制甚至消除在反復充放電過程中枝晶的形成,而在這方面目前已取得了諸多進展?;诖?,本文綜述了枝晶形成的基本機理和理論模型及其電化學性能影響相關性。此外,從界面能/體積應力的角度,著重介紹了抑制、調節和消除枝晶的幾種創新策略。最后,對MBs的發展作了展望。

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略
            【文章簡介】

            近日,來自西南大學的徐茂文教授課題組在國際知名期刊Nano Energy上發表題為“How to avoid dendrite formation in metal batteries: Innovative strategies for dendrite suppression”的綜述文章。該綜述文章從枝晶形成的基本機理和理論模型出發,對幾類金屬電池中的枝晶特性、影響因素等進行了闡述,同時對目前在研究枝晶問題上具有代表性的解決方案進行了匯總。

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略圖1. 金屬電池中抑制枝晶的部分解決方案


            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略
            【本文要點】

            要點一:枝晶生長的機理和模型

            目前,研究者們提出了許多描述枝晶形成和早期生長的模型和理論,包括Wranglen理論、Bockris-Barton模型,Kim-Jorne理論、Bockris-Barton模型、Chazalviel模型、沉積溶解模型、異質成核模型、應力驅動的枝晶生長模型、Akolkar模型,Monroe-Newman模型等 (圖2)。上述理論和模型認為,1)鍍層達到一定厚度時,大多數金屬都會形成枝晶;2)交換電流密度與樹枝晶形成趨勢相關;3)枝晶生成存在一個臨界過電位(或臨界電流密度);4)枝晶的生成分為誘發階段和穩定生長階段,且在后一階段過程中尖端形狀保持不變。利用上述理論和模型來進行預測往往是不現實的,輔以一些實驗研究以及理論模擬計算來描述可變的特性是必要的,或許也是更精確的。

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略圖2. 枝晶生長原理、理論和模型道路圖。


            要點二:鋰金屬電池中的枝晶應對策略

            鑒于鋰枝晶的形成是動態過程這一事實,目前的策略除了枝晶抑制策略(難免會失效)之外,還包括枝晶誘導生長策略(允許枝晶的形成和生長,但可均勻轉化為光滑形貌的鋰)以及枝晶消除策略(最終目標)。具體來說,從工況條件(溫度、壓力、電流密度)和電解質(濃度、成分、添加劑)篩選,到集流體(維度、材質、成核-生長概念)、界面(自犧牲、惰性)設計再到陽極復合化,多種設計思路都值得去關注和發展。

            要點三:其他金屬電池中的枝晶特性

            枝晶問題并非鋰金屬電池獨有,其他MBs,如鈉、鉀和鋅電池也同樣面臨枝晶生長和循環穩定性等問題。與鋰電池中枝晶的研究相比,其他金屬電池中枝晶的研究較少。雖然三種堿金屬之間有相似之處,但它們不同的能量化學性質不可避免地影響了它們的電化學過程和作為工作陽極的實際應用。與鋰陽極相比,這種差異也為鈉、鉀金屬陽極提供了獨特的機遇和巨大的挑戰。

            要點四:展望

            解決枝晶問題是開發安全、長循環壽命、高能量密度MBs的前提。目前報道的各種模型和方法對抑制枝晶生長有一定的效果,但這些方法仍有一定的局限性,遠遠不能滿足金屬鋰商業應用的要求。此外,如何提高循環庫倫效率仍然是一個嚴峻的挑戰。在今后的研究中,迫切需要在深入了解枝晶消除機理和過程的基礎上實現一些關鍵突破,包括描述和研究機械力對循環過程中組織演變的影響以及拓展先進的表征技術。此外,熱失控的可能性被認為是造成安全問題的主要原因?;阡囯x子電池的研究經驗,應注重理論與實驗相結合,對電池內部溫度分布進行監測研究。當然,從實際應用和商業化角度來看,有必要對整個電池系統進行構建和研究,而這也對特定體系的機理明確和正負極匹配性等提出了新的挑戰。

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略
            【文章鏈接】

            How to avoid dendrite formation in metal batteries: Innovative strategies for dendrite suppression

            https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521003980 

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略
            【通訊作者簡介】

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略

            徐茂文教授簡介:現任西南大學材料與能源學院院長,博士生導師,美國德州大學博士后(合作導師諾貝爾獎得主Goodenough教授)。主要圍繞新能源材料與器件開展研究,包括鋰/鈉離子電池、新型鋰/鈉硫電池和全固態電池等。目前已發表英文學術論文230余篇,論文引用7400余次,H因子42,已獲授權發明專利20余項,部分已實現轉化。主持國家自然基金、省部級重點項目等課題10余項;培養博士后、博士生和碩士生40余名。
            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略
            【第一作者介紹】

            西南大學徐茂文教授Nano Energy綜述:金屬電池中的枝晶應對策略

            Dr. Muhammad Kashif Aslam是西南大學材料與能源學院的博士后研究員。發表SCI論文30余篇,其中H因子14,i10因子19,部分論文發表在 Nature Communications, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Energy Storage Materials and Advanced Science.
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