張強等：鋰枝晶的原位觀測及生長機制研究進展

導讀

隨著人們對儲能設備需求的日益增加，開發高能量密度的二次電池受到了廣泛的關注。金屬鋰以其低密度、高理論比容量、最低的還原電勢等優勢成為高性能二次電池電極材料的首選。然而，枝晶生長及其隨之而來的電池安全隱患和循環壽命的降低嚴重困擾著金屬鋰負極的實際應用。通過原位觀測金屬鋰枝晶生長行為，探究其生長機理與影響因素，有助於提高金屬鋰電池的安全性、利用率和循環壽命。本文綜述了金屬鋰電池原位觀測方面的研究進展，總結了現有的原位實時觀測裝置，鋰枝晶的原位觀測現象以及模擬模型，最後對鋰金屬枝晶原位觀測的下一步發展進行了展望。

文

沈馨等，

（清華大學化學工程系 等）

引言

隨著攜帶型電子設備（手機、筆記本電腦等）、電動汽車等的快速發展，當今社會對儲能設備的需求呈現爆炸式增長。目前，以石墨等為負極材料的傳統鋰離子電池理論能量密度較低，其負極理論比容量僅為372 mA·h/g，在現有的體系上難以再對性能做出大的提升，無法滿足日益增長的儲能需求。而金屬鋰作為最輕的金屬（0.534 g/cm3），有著極高的理論比容量（3860 mA·h/g）和最低的還原電勢（-3.04 V，vs. 標準氫電極）等優勢，是下一代高性能二次電池負極材料的最佳選擇。將金屬鋰負極應用於鋰硫（Li-S）、鋰空氣（Li-O2）等電池中，可以獲得幾倍於現有鋰離子電池的理論能量密度。

目錄

一、光學顯微鏡原位實時觀測裝置

二、電子顯微鏡原位實時觀測裝置

三、鋰枝晶的原位觀測結果

四、鋰枝晶生長模型

五、總結與展望

結語

目前，原位實時觀測金屬鋰枝晶常存在以下問題： 為便於枝晶觀察，觀測用電池其電極布置、極片間距、電流密度、內部物理壓力等諸多關鍵結構因素和充放電條件都與實際工作電池有很大不同，使得原位觀測結果與實際枝晶生長情況存在較大差異； 枝晶生長的原位觀測裝置平台多樣化，所用沉積基底、電解液等的不同導致實驗結果缺乏比較性與重複性。而根據枝晶生長過程的圖像與相應的測試數據，研究者們提出的各式各樣的模型，可對枝晶生長過程的某一影響因素作出合理的解釋，卻不能完整地解釋金屬鋰枝晶生長的過程與所有影響因素，均存在局限性。此外，目前關於枝晶的原位觀測研究多集中於液態電解質與聚合物電解質，全固態電解質的原位觀測研究較少。一方面全固態電解質多呈不透明狀，另一方面全固態電解質對枝晶存在機械壓製作用，因此難以找到固態電解質中枝晶形貌的規律。隨著高解析度的原位SEM、TEM的推廣，枝晶在固態電解質與電極界面的形核過程及其孔隙中的生長過程有望獲得更詳細的觀測。

隨著金屬鋰枝晶研究的不斷深入，其複雜的生長機理有望完全揭開，對其更有效的調控手段也有望進一步成功開發。對枝晶的原位觀察技術的發展給金屬鋰電池的研究道路添加了一展明燈，但仍存在很多難以逾越的困難和挑戰，更廣泛更深入的研究尤為必要。

聲明

沈 馨1,2，張 睿1，程新兵1，管 超1,3，黃佳琦2，張 強1. 鋰枝晶的原位觀測及生長機制研究進展[J]. 儲能科學與技術, 2017, 6(3): 418-432.

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