
物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (2): 2005012.doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012
所属专题: 金属锂负极
岳昕阳1, 马萃1, 包戬1, 杨思宇2, 陈东1, 吴晓京1, 周永宁1,*(
)
收稿日期:2020-05-06
录用日期:2020-06-04
发布日期:2020-06-10
通讯作者:
周永宁
E-mail:ynzhou@fudan.edu.cn
作者简介:周永宁,复旦大学青年研究员。2010年在复旦大学材料科学系获得博士学位;2010–2011年复旦大学化学系从事博士后研究;2012–2015年在美国布鲁克海文国家实验室任助理研究员;2015年回国加入复旦大学材料科学系,任青年研究员。主要从事新型电池材料设计及机理研究第一联系人:†These authors contributed equally to this work.
基金资助:
Xinyang Yue1, Cui Ma1, Jian Bao1, Siyu Yang2, Dong Chen1, Xiaojing Wu1, Yongning Zhou1,*(
)
Received:2020-05-06
Accepted:2020-06-04
Published:2020-06-10
Contact:
Yongning Zhou
E-mail:ynzhou@fudan.edu.cn
About author:Yongning Zhou, Email: ynzhou@fudan.edu.cn; Tel.: +86-21-65642685Supported by:摘要:
尽管传统的石墨负极在商业化锂离子电池中取得了成功,但其理论容量低(372 mAh·g-1)、本身不含锂的先天缺陷限制了其在下一代高比能量锂电池体系中的应用,特别是在需要锂源的锂-硫和锂-空气电池体系中。金属锂因其极高的理论比容量(3860 mAh·g-1)和低氧化还原电势(相对于标准氢电极为-3.040 V),被认为是下一代锂电池负极材料的最佳选择之一。但是,金属锂负极存在库伦效率低、循环性能差、安全性差等一系列瓶颈问题亟待解决,而循环过程中锂枝晶的生长、巨大的体积变化、以及电极界面不稳定等是导致这些问题的关键因素。本文综述了近年来关于金属锂负极瓶颈问题及其机理,包括金属锂电极表面固态电解质界面膜的形成,锂枝晶的生长行为,以及惰性死锂的形成。同时,本文还介绍了目前用于研究金属锂负极的先进表征技术,这些技术为研究人员深入认识金属锂负极的失效机制提供了重要信息。
岳昕阳, 马萃, 包戬, 杨思宇, 陈东, 吴晓京, 周永宁. 金属锂负极失效机制及其先进表征技术[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2), 2005012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012
Xinyang Yue, Cui Ma, Jian Bao, Siyu Yang, Dong Chen, Xiaojing Wu, Yongning Zhou. Failure Mechanisms of Lithium Metal Anode and Their Advanced Characterization Technologies[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37(2), 2005012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012
| 1 |
Armand M. ; Tarascon J. Nature 2008, 451, 652.
doi: 10.1038/451652a |
| 2 |
Guo Y. ; Li H. ; Zhai T. Adv. Mater. 2017, 29, 1700007.
doi: 10.1002/adma.201700007 |
| 3 |
Grande L. ; Paillard E. ; Hassoun J. ; Park J. U. ; Scrosati B. Adv. Mater. 2014, 27, 784.
doi: 10.1002/adma.201403064 |
| 4 |
Kolosnitsyn V. S. ; Karaseva E. V. Russ. J. Electrochem. 2008, 44, 506.
doi: 10.1134/s1023193508050029 |
| 5 |
Xu W. ; Wang J. ; Ding F. ; Chen X. ; Nasybulin E. ; Zhang Y. ; Zhang J. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 513.
doi: 10.1039/C3EE40795K |
| 6 |
Lin D. ; Liu Y. ; Cui Y. Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 194.
doi: 10.1038/nnano.2017.16 |
| 7 |
Chen L. ; Fan X. ; Ji X. ; Chen J. ; Hou S. ; Wang C. Joule 2019, 3, 732.
doi: 10.1016/j.joule.2018.11.025 |
| 8 |
Yang C. ; Yin Y. ; Zhang S. ; Li N. ; Guo Y. Nat. Commun. 2015, 6, 1.
doi: 10.1038/ncomms9058 |
| 9 |
Duan H. ; Zhang J. ; Chen X. ; Zhang X. ; Li J. ; Huang L. ; Zhang X. ; Shi J. ; Yin Y. ; Zhang Q. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 18051.
doi: 10.1021/jacs.8b10488 |
| 10 |
Cheng X. ; Zhang R. ; Zhao C. ; Zhang Q. Chem. Rev. 2017, 117, 10403.
doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00115 |
| 11 |
Wang D. ; Zhang W. ; Zheng W. ; Cui X. ; Rojo T. ; Zhang Q. Adv. Sci. 2017, 4, 1600168.
doi: 10.1002/advs.201600168 |
| 12 |
Bouchet R. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 572.
doi: 10.1038/nnano.2014.165 |
| 13 |
Jo H. ; Song D. ; Jeong Y. ; Lee Y. M. ; Ryou M. J. Power Sources 2019, 409, 132.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.09.059 |
| 14 |
Xu R. ; Zhang X. Q. ; Cheng X. B. ; Peng H. J. ; Zhao C. Z. ; Yan C. ; Huang J. Q. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705838.
doi: 10.1002/adfm.201705838 |
| 15 |
Zhu J. ; Li P. ; Chen X. ; Legut D. ; Fan Y. ; Zhang R. ; Lu Y. ; Cheng X. ; Zhang Q. Energy Storage Mater. 2019, 16, 426.
doi: 10.1016/j.ensm.2018.06.023 |
| 16 | Zheng J. ; Li H. Energy Storage Sci. Tech. 2013, 5, 503. |
|
郑杰允; 李泓. 储能科学与技术, 2013, 5, 503.
doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2013.05.009 |
|
| 17 |
Goodenough J. B. ; Kim Y. Chem. Mater. 2009, 22, 587.
doi: 10.1021/cm901452z |
| 18 |
Joho F. ; Rykart B. ; Blome A. ; Novák P. ; Wilhelm H. ; Spahr M. E. J. Power Sources 2001, 97, 78.
doi: 10.1016/S0378-7753(01)00595-X |
| 19 |
Peled E. J. Electrochem. Soc. 1979, 126, 2047.
doi: 10.1149/1.2128859 |
| 20 |
Schlaikjer C. R. ; Liang C. C. J. Electrochem. Soc. 1971, 118, 1447.
doi: 10.1149/1.2408351 |
| 21 |
Peled E. ; Golodnitsky D. ; Ardel G. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, L208.
doi: 10.1149/1.1837858 |
| 22 |
Zhang Q. ; Pan J. ; Lu P. ; Liu Z. ; Verbrugge M. W. ; Sheldon B. W. ; Cheng Y. ; Qi Y. ; Xiao X. Nano Lett. 2016, 16, 2011.
doi: 10.1021/acs.nanolett.5b05283 |
| 23 |
Aurbach D. ; Markovsky B. ; Levi M. D. ; Levi E. ; Schechter A. ; Moshkovich M. ; Cohen Y. J. Power Sources 1999, 81, 95.
doi: 10.1016/S0378-7753(99)00187-1 |
| 24 |
Ein-Eli Y. Electrochem. Solid-State Lett. 1999, 2, 212.
doi: 10.1149/1.1390787 |
| 25 |
Whittingham M. S. Science 1976, 192, 1126.
doi: 10.1126/science.192.4244.1126 |
| 26 |
Nishikawa K. ; Mori T. ; Nishida T. ; Fukunaka Y. ; Rosso M. ; Homma T. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, A1212.
doi: 10.1149/1.3486468 |
| 27 |
Ling C. ; Banerjee D. ; Matsui M. Electrochim. Acta 2012, 76, 270.
doi: 10.1016/j.electacta.2012.05.001 |
| 28 |
Jäckle M. ; Groß A. J. Chem. Phys. 2014, 141, 174710.
doi: 10.1063/1.4901055 |
| 29 |
Ely D. R. ; García R. E. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A662.
doi: 10.1149/1.057304jes |
| 30 |
Yan K. ; Lu Z. ; Lee H. ; Xiong F. ; Hsu P. ; Li Y. ; Zhao J. ; Chu S. ; Cui Y. Nat. Energy 2016, 1, 16010.
doi: 10.1038/nenergy.2016.10 |
| 31 |
Liu M. ; Kutana A. ; Liu Y. ; Yakobson B. I. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 1225.
doi: 10.1021/jz500199d |
| 32 |
Pei A. ; Zheng G. ; Shi F. ; Li Y. ; Cui Y. Nano Lett. 2017, 17, 1132.
doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04755 |
| 33 |
Fleury V. ; Chazalviel J. ; Rosso M. ; Sapoval B. J. Electroanal. Chem. 1990, 290, 249.
doi: 10.1016/0022-0728(90)87434-l |
| 34 |
Chazalviel J. Phys. Rev. A 1990, 42, 7355.
doi: 10.1103/PhysRevA.42.7355 |
| 35 |
Rosso M. ; Brissot C. ; Teyssot A. ; Dollé M. ; Sannier L. ; Tarascon J. ; Bouchet R. ; Lascaud S. Electrochim. Acta 2006, 51, 5334.
doi: 10.1016/j.electacta.2006.02.004 |
| 36 |
Bai P. ; Li J. ; Brushett F. R. ; Bazant M. Z. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3221.
doi: 10.1039/c6ee01674j |
| 37 |
Sacci R. L. ; Dudney N. J. ; More K. L. ; Parent L. R. ; Arslan I. ; Browning N. D. ; Unocic R. R. Chem. Commun. 2014, 50, 2104.
doi: 10.1039/C3CC49029G |
| 38 |
Kushima A. ; So K. P. ; Su C. ; Bai P. ; Kuriyama N. ; Maebashi T. ; Fujiwara Y. ; Bazant M. Z. ; Li J. Nano Energy 2017, 32, 271.
doi: 10.1016/j.nanoen.2016.12.001 |
| 39 |
Bieker G. ; Winter M. ; Bieker P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 8670.
doi: 10.1039/C4CP05865H |
| 40 |
Wu B. ; Lochala J. ; Taverne T. ; Xiao J. Nano Energy 2017, 40, 34.
doi: 10.1016/j.nanoen.2017.08.005 |
| 41 |
Liu G. ; Lu W. J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A1826.
doi: 10.1149/2.0381709jes |
| 42 | Chen L. ; Li X. L. ; Zhao Q. ; Cai W. B. ; Jiang Z. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2006, 22, 1155. |
|
陈玲; 李雪莉; 赵强; 蔡文斌; 江志裕. 物理化学学报, 2006, 22, 1155.
doi: 10.3866/PKU.WHXB20060924 |
|
| 43 |
Hong Z. ; Viswanathan V. ACS Energy Lett. 2019, 4, 1012.
doi: 10.1021/acsenergylett.9b00433 |
| 44 |
Zou P. ; Wang Y. ; Chiang S. ; Wang X. ; Kang F. ; Yang C. Nat. Commun. 2018, 9, 1.
doi: 10.1038/s41467-018-02888-8 |
| 45 |
Wang C. ; Appleby A. J. ; Little F. E. J. Electroanal. Chem. 2002, 519, 9.
doi: 10.1016/S0022-0728(01)00708-2 |
| 46 |
Wu H. ; Cui Y. Nano Today 2012, 7, 414.
doi: 10.1016/j.nantod.2012.08.004 |
| 47 |
Li Z. ; Huang J. ; Liaw B. Y. ; Metzler V. ; Zhang J. J. Power Sources 2014, 254, 168.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.12.099 |
| 48 |
Chen K. ; Wood K. N. ; Kazyak E. ; LePage W. S. ; Davis A. L. ; Sanchez A. J. ; Dasgupta N. P. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 11671.
doi: 10.1039/C7TA00371D |
| 49 |
Gireaud L. ; Grugeon S. ; Laruelle S. ; Yrieix B. ; Tarascon J. Electrochem. Commun. 2006, 8, 1639.
doi: 10.1016/j.elecom.2006.07.037 |
| 50 |
Yue X. ; Li X. ; Wang W. ; Chen D. ; Qiu Q. ; Wang Q. ; Wu X. ; Fu Z. ; Shadike Z. ; Yang X. Nano Energy 2019, 60, 257.
doi: 10.1016/j.nanoen.2019.03.057 |
| 51 |
Yue X. ; Bao J. ; Yang S. ; Luo R. ; Wang Q. ; Wu X. ; Shadike Z. ; Yang X. ; Zhou Y. Nano Energy 2020, 71, 104614.
doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104614 |
| 52 |
Li L. ; Basu S. ; Wang Y. ; Chen Z. ; Hundekar P. ; Wang B. ; Shi J. ; Shi Y. ; Narayanan S. ; Koratkar N. Science 2018, 359, 1513.
doi: 10.1126/science.aap8787 |
| 53 |
Wu C. ; Huang H. ; Lu W. ; Wei Z. ; Ni X. ; Sun F. ; Qing P. ; Liu Z. ; Ma J. ; Wei W. Adv. Sci. 2020, 7, 1902643.
doi: 10.1002/advs.201902643 |
| 54 |
Zhang X. Q. ; Chen X. ; Cheng X. B. ; Li B. Q. ; Shen X. ; Yan C. ; Huang J. Q. ; Zhang Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 5301.
doi: 10.1002/ange.201803003 |
| 55 |
Rong G. ; Zhang X. ; Zhao W. ; Qiu Y. ; Liu M. ; Ye F. ; Xu Y. ; Chen J. ; Hou Y. ; Li W. Adv. Mater. 2017, 29, 1606187.
doi: 10.1002/adma.201606187 |
| 56 |
Golozar M. ; Hovington P. ; Paolella A. ; Bessette S. ; Lagacé M. ; Bouchard P. ; Demers H. ; Gauvin R. ; Zaghib K. Nano Lett. 2018, 18, 7583.
doi: 10.1021/acs.nanolett.8b03148 |
| 57 |
Kim S. H. ; Kim K. ; Choi H. ; Im D. ; Heo S. ; Choi H. S. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13650.
doi: 10.1039/C9TA02614B |
| 58 |
Hou C. ; Han J. ; Liu P. ; Yang C. ; Huang G. ; Fujita T. ; Hirata A. ; Chen M. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1902675.
doi: 10.1002/aenm.201902675 |
| 59 |
Liu B. ; Xu W. ; Tao J. ; Yan P. ; Zheng J. ; Engelhard M. H. ; Lu D. ; Wang C. ; Zhang J. G. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702340.
doi: 10.1002/aenm.201702340 |
| 60 |
Shen C. ; Hu G. ; Cheong L. Z. ; Huang S. ; Zhang J. G. ; Wang D. Small Methods 2018, 2, 1700298.
doi: 10.1002/smtd.201700298 |
| 61 |
Kitta M. ; Sano H. Langmuir 2017, 33, 1861.
doi: 10.1021/acs.langmuir.6b04651 |
| 62 |
Zhang L. ; Yang T. ; Du C. ; Liu Q. ; Tang Y. ; Zhao J. ; Wang B. ; Chen T. ; Sun Y. ; Jia P. Nat. Nanotechnol. 2020, 15, 94.
doi: 10.1038/s41565-019-0604-x |
| 63 |
Sun F. ; Zhou D. ; He X. ; Osenberg M. ; Dong K. ; Chen L. ; Mei S. ; Hilger A. ; Markötter H. ; Lu Y. ACS Energy Lett. 2020, 5, 152.
doi: 10.1021/acsenergylett.9b02424 |
| 64 |
Wenzel S. ; Leichtweiss T. ; Krüger D. ; Sann J. ; Janek J. Solid State Ion. 2015, 278, 98.
doi: 10.1016/j.ssi.2015.06.001 |
| 65 |
Shen X. ; Li Y. ; Qian T. ; Liu J. ; Zhou J. ; Yan C. ; Goodenough J. B. Nat. Commun. 2019, 10, 1.
doi: 10.1038/s41467-019-08767-0 |
| 66 |
Li H. ; Chao D. ; Chen B. ; Chen X. ; Chuah C. ; Tang Y. ; Jiao Y. ; Jaroniec M. ; Qiao S. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2012.
doi: 10.1021/jacs.9b11774 |
| 67 | Zhang X. ; Zhang C. ; Liu Z. ; Liu L. ; Xia L. Sci. Tech. Eng. 2019, 19, 9. |
| 张晓凯; 张丛丛; 刘忠民; 刘力嘉; 夏蕾. 科学技术与工程, 2019, 19, 9. | |
| 68 |
Wang X. ; Li Y. ; Meng Y. S. Joule 2018, 2, 2225.
doi: 10.1016/j.joule.2018.10.005 |
| 69 |
Li Y. ; Li Y. ; Pei A. ; Yan K. ; Sun Y. ; Wu C. ; Joubert L. ; Chin R. ; Koh A. L. ; Yu Y. Science 2017, 358, 506.
doi: 10.1126/science.aam6014 |
| 70 |
Xu Y. ; Wu H. ; He Y. ; Chen Q. ; Zhang J. G. ; Xu W. ; Wang C. Nano Lett. 2020, 20, 418.
doi: 10.1021/acs.nanolett.9b04111 |
| 71 |
Zachman M. J. ; Tu Z. ; Choudhury S. ; Archer L. A. ; Kourkoutis L. F. Nature 2018, 560, 345.
doi: 10.1038/s41586-018-0397-3 |
| 72 |
Wang J. ; Huang W. ; Pei A. ; Li Y. ; Shi F. ; Yu X. ; Cui Y. Nat. Energy 2019, 4, 664.
doi: 10.1038/s41560-019-0413-3 |
| 73 |
Downing R. G. ; Lamaze G. P. ; Langland J. K. ; Hwang S. T. J. Res. Natl. Inst. Stand Technol. 1993, 98, 109.
doi: 10.6028/jres.098.008 |
| 74 |
Han F. ; Westover A. S. ; Yue J. ; Fan X. ; Wang F. ; Chi M. ; Leonard D. N. ; Dudney N. J. ; Wang H. ; Wang C. Nat. Energy 2019, 4, 187.
doi: 10.1038/s41560-018-0312-z |
| 75 |
Lv S. ; Verhallen T. ; Vasileiadis A. ; Ooms F. ; Xu Y. ; Li Z. ; Li Z. ; Wagemaker M. Nat. Commun. 2018, 9, 1.
doi: 10.1038/s41467-018-04394-3 |
| 76 |
Wang C. ; Gong Y. ; Dai J. ; Zhang L. ; Xie H. ; Pastel G. ; Liu B. ; Wachsman E. ; Wang H. ; Hu L. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14257.
doi: 10.1021/jacs.7b07904 |
| 77 |
Li Q. ; Yi T. ; Wang X. ; Pan H. ; Quan B. ; Liang T. ; Guo X. ; Yu X. ; Wang H. ; Huang X. Nano Energy 2019, 63, 103895.
doi: 10.1016/j.nanoen.2019.103895 |
| 78 |
Zheng J. ; Tang M. ; Hu Y. Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12538.
doi: 10.1002/anie.201607539 |
| 79 |
Leskes M. ; Drewett N. E. ; Hardwick L. J. ; Bruce P. G. ; Goward G. R. ; Grey C. P. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 8560.
doi: 10.1002/anie.201202183 |
| 80 |
Leskes M. ; Moore A. J. ; Goward G. R. ; Grey C. P. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 26929.
doi: 10.1021/jp410429k |
| [1] | 金彩云, 吴泽轩, 李国鹏, 罗战, 李念武. 用于金属锂电池的磷腈基阻燃人工界面层[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100094 - . |
| [2] | 刘建东, 张志佳, Mikhail Kamenskii, Filipp Volkov, Svetlana Eliseeva, 马建民. 高压锂电池正极电解质界面研究进展[J]. 物理化学学报, 2025, 41(2): 100011 - . |
| [3] | 张恒睿, 徐熹骏, 李璕琭, 杲祥文. 生成式人工智能在电池研究中的应用:现状与展望[J]. 物理化学学报, 2025, 41(10): 100115 - . |
| [4] | 韩卓, 张丹丰, 王海先, 郑国瑞, 柳明, 贺艳兵. 长寿命高镍锂电池界面重构电解液添加剂研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2307034 - . |
| [5] | 黄辰悦, 郑鸿飞, 秦宁, 王灿沛, 王利光, 陆俊. 单晶高镍三元正极材料:挑战与策略[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2308051 - . |
| [6] | 吕寒梅, 陈昕, 孙麒富, 赵宁, 郭向欣. 纳米石榴石固体电解质粉体在聚合物电解质中的均匀分散[J]. 物理化学学报, 2024, 40(3): 2305016 - . |
| [7] | 赵永智, 陈晨阳, 刘文燚, 胡伟飞, 刘金平. 固态锂电池界面优化策略的研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2211017 -0 . |
| [8] | 夏求应, 蔡雨, 刘威, 王金石, 吴川智, 昝峰, 徐璟, 夏晖. 锂负极失效的全固态薄膜锂电池的直接回收再利用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2212051 -0 . |
| [9] | 关俊, 李念武, 于乐. 人工界面层在金属锂负极中的应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2009011 - . |
| [10] | 张自博, 邓伟, 周旭峰, 刘兆平. 稳定锂电化学沉积和溶解行为的LiC6异质微结构界面层[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2008092 - . |
| [11] | 朱高龙, 赵辰孜, 袁洪, 南皓雄, 赵铂琛, 侯立鹏, 何传新, 刘全兵, 黄佳琦. 基于局部高盐界面润湿策略构筑的固态金属锂软包电池[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2005003 - . |
| [12] | 杨毅, 闫崇, 黄佳琦. 锂电池中固体电解质界面研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2010076 - . |
| [13] | 石浩东, 李亚光, 路鹏飞, 吴忠帅. 石墨烯负载的氧配位钴单原子稳定金属锂负极[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2008033 - . |
| [14] | 张世超, 沈泽宇, 陆盈盈. 金属锂电池的热失控与安全性研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2008065 - . |
| [15] | 蔡明俐, 姚柳, 靳俊, 温兆银. 水溶液法原位构建ZnO亲锂层稳定锂-石榴石电解质界面[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2009006 - . |
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