背景介紹

可充電電池的使用對于先進便攜式電子設備和電動車輛在惡劣環境下的運行至關重要。然而，使用碳酸乙烯酯電解質的商用鋰離子電池在極低的溫度下會遭受電池能量密度的嚴重損失。采用鋰金屬來替代石墨負極的鋰金屬電池（LMBs）有望在電池水平上推動低溫設備的基線能量密度。

然而，低溫受限的離子傳輸動力學會導致LMB的輸出能量和循環性能惡化，嚴重的鋰枝晶生長甚至會增加電池短路風險。緩慢的離子傳輸動力學主要涉及Li+溶劑化/去溶劑化、通過體電解質的液相離子傳輸，以及在固態電解質界面和體電極材料內的固相離子擴散。盡管在探索低溫LMB方面取得了進展，但該領域仍面臨許多問題和挑戰。

成果簡介

近日，電子科技大學Jie Xiong，Yin Hu，中國科學院微電子研究所Bo Chen在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Ion Transport Kinetics in Low-Temperature Lithium Metal Batteries”的綜述文章。從關鍵組件到電池化學，系統地回顧和討論了低溫LMB離子傳輸過程的關鍵限制因素，梳理了電解質、電極和電解質/電極界面中的離子傳輸/擴散所面臨的挑戰。此外，全面總結了提升低溫離子傳輸動力學和LMB性能的最新策略，并展望了低溫LMB的未來前景和研究方向。

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圖1.?低溫LMB的離子傳輸過程示意圖

文章要點

（1）低溫離子傳輸過程及其影響因素。化學反應的發生及其反應速率很大程度上取決于溫度，反應活化能與溫度的關系遵循阿倫尼烏斯方程。化學系統的反應速率會隨著溫度的降低呈指數下降，從而在反應路徑中產生較大的能壘。在低溫下，緩慢的離子傳輸動力學是限制LMB性能的最關鍵因素。本小節分析了電解質、固體電極及其界面中離子傳輸/擴散的特性，以闡明低溫充放電過程中的動力學限制因素。此外，對于電解液，強調了幾個重要的設計參數，如離子電導率(σ)、離子遷移率(μi)、介電常數（ε）和粘度（η）等。

（2）促進低溫離子傳輸過程的策略。低溫LMB的Li+傳輸涉及電極、電解質以及電極/電解質界面。本小節主要概述了如下策略：1）促進鹽解離和Li+溶劑化，包括高介電常數、低粘度和高供體數的先進電解質配方的開發。2）增強溶劑化Li+的液相傳輸，包括局部高濃度電解質的設計和溶劑/鋰鹽比例的調控。3）調節界面的Li+去溶劑化結構，包括碳酸鹽電解質氟化和新型醚電解質的開發。4）加速SEI中Li+的固相遷移，包括SEI結構和組分特性的調控。5）促進正極材料內Li+的固相擴散，包括離子導電涂層、表面陽離子摻雜和粒徑尺寸的設計，以及新型正極材料的開發。

（3）低溫鋰金屬電池的未來展望。從Li+傳輸動力學的角度出發，剖析了低溫LMB的限制因素和挑戰、以及最新設計策略。在未來的研究中，應該注意一些關鍵科學問題和潛在方向，包括1）準確建立電解質性質與低溫離子傳輸行為間的關聯。2）定量確定精確的溶劑化結構和動態去溶劑化過程。3）了解SEI中無機/有機成分的形成過程、分布和作用機理。4）通過人工智能和機器學習對溫度相關材料進行智能篩選。總之，要有效解決與離子傳輸動力學相關的問題，必須進行多領域的合作與創新，最終推動高性能低溫LMB的進步。

文章鏈接

Hu, A., Li, F., Chen, W., Lei, T., Li, Y., Fan, Y., He, M., Wang, F., Zhou, M., Hu, Y., Yan, Y., Chen, B., Zhu, J., Long, J., Wang, X., Xiong, J., Ion Transport Kinetics in Low-Temperature Lithium Metal Batteries.?Adv. Energy Mater.?2022, 2202432. https://doi.org/10.1002/aenm.202202432




審核編輯：劉清