Искусственные защитные покрытия для литий-металлического анода для повышения его стабильности
DOI:
https://doi.org/10.15328/cb1382Ключевые слова:
литий-металлический анод, межфаза твердого электролита, искусственное защитное покрытие, литий-металлические батареиАннотация
Использование металлического лития в качестве анода в литий-металлических батареях очень привлекательно ввиду его высокой емкости и высоко отрицательного потенциала, однако все еще не достигнуто из-за высокой активности и, как следствие, химической и электрохимической нестабильности данного металла. При контакте с электролитом на поверхности лития образуется пленка (SEI), состоящая из продуктов разложения электролита. Как правило, данная пленка имеет неоднородную структуру, что делает ее нестабильной и в ходе циклирования она растрескивается, что приводит к локальному осаждению лития в виде отростков – дендритов. Когда дендриты дорастают до катода, может произойти короткое замыкание с последующим возможным возгоранием аккумулятора. Для решения данной проблемы было предложено покрывать литиевые аноды искусственными SEI с желаемыми свойствами: однородной структурой, высокой ионной и низкой электронной проводимостью, механической и химической стабильностью. Основными способами нанесения таких покрытий являются погружение, капание, намазка с помощью ракельного ножа, химическая или электрохимическая реакция с литием, а также такие методы, как магнетронное напыление, атомно- и молекулярно-слоевое осаждение и плазменная активация. В данном обзоре рассмотрены примеры искусственных защитных покрытий различной природы на литии, их структура и функциональные особенности. Также указаны причины повышения ими стабильности работы литий-металлического анода и приведены характеристики, полученные в результате защиты анода данными пленками. При сравнении различных подходов к созданию искусственных SEI выявлена методологическая проблема по оценке их эффективности и предложен вариант решения.
Библиографические ссылки
1 Han Z, Zhang C, Lin Q, Zhang Y, Deng Y, Han J, et al. (2021) Small Methods 5:2001035. https://doi.org/10.1002/smtd.202001035
2 Cheng XB, Zhang R, Zhao CZ, Zhang Q (2017) Chem Rev 117:10403–10473. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00115
3 Ko J, Yoon YS (2019) Ceram Int 45:30–49. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.09.287
4 Xu R, Cheng XB, Yan C, Zhang XQ, Xiao Y, Zhao CZ, et al. (2019) Matter 1:317–344. https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.05.016
5 He D, Lu J, He G, Chen H (2022) Front Chem 10:916132. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.916132
6 Hou J, Yang M, Sun B, Wang G (2022) Batter Supercaps 5:202200231. https://doi.org/10.1002/batt.202200231
7 Zhuang G, Ross PN (2000) J Power Sources 89:143–148. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(00)00422-5
8 Mauger A, Julien CM (2022) Inorganics 10:5. https://doi.org/10.3390/inorganics10010005
9 Guan J, Li N, Yu L (2021) Acta Phys - Chim Sin 37:2009011. https://doi.org/10.3866/PKU.WHXB202009011
10 Zheng G, Lee SW, Liang Z, Lee HW, Yan K, Yao H, et al. (2014) Nat Nanotechnol 9:618–623. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.152
11 Lei J, Gao Z, Tang L, Zhong L, Li J, Zhang Y, et al. (2022) Adv Sci 9:2103760. https://doi.org/10.1002/advs.202103760
12 Hu A, Chen W, Du X, Hu Y, Lei T, Wang H, et al. (2021) Energy Environ Sci 14:4115–4124. https://doi.org/10.1039/d1ee00508a
13 Liang X, Pang Q, Kochetkov IR, Sempere MS, Huang H, Sun X, et al. (2017) Nat Energy 2:17119. https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.119
14 Han B, Zou Y, Ke R, Li T, Zhang Z, Wang C, et al. (2021) ACS Appl Mater Interfaces 13:21467–21473. https://doi.org/10.1021/acsami.1c04196
15 Li C, Liang Z, Li Z, Cao D, Zuo D, Chang J, et al. (2023) Nano Lett 23:4014–4022. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00783
16 Bai M, Xie K, Yuan K, Zhang K, Li N, Shen C, et al. (2018) Adv Mater 30:1801213. https://doi.org/10.1002/adma.201801213
17 Gong Z, Wang P, Ye K, Zhu K, Yan J, Wang G, et al. (2022) J Colloid Interface Sci 625:700–710. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.05.157
18 Zhang Y, Lv W, Huang Z, Zhou G, Deng Y, Zhang J, et al. (2019) Sci Bull 64:910–917. https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.05.025
19 Li Q, Zeng FL, Guan YP, Jin ZQ, Huang YQ, Yao M, et al. (2018) Energy Storage Mater 13:151–159. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.01.002
20 Lin L, Lu W, Zhao F, Chen S, Liu J, Xie H, et al. (2022) J Energy Chem 76:233–238. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.09.017
21 Basile A, Bhatt AI, O’Mullane AP (2016) Nat Commun 7:11794. https://doi.org/10.1038/ncomms11794
22 Jing H-K, Kong L-L, Liu S, Li G-R, Gao X-P (2015) J Mater Chem A 3:12213–12219. https://doi.org/10.1039/C5TA01490E
23 Peng Z, Wang S, Zhou J, Jin Y, Liu Y, Qin Y, et al. (2016) J Mater Chem A 4:2427–2432. https://doi.org/10.1039/c5ta10050j
24 Zhao Y, Wang D, Gao Y, Chen T, Huang Q, Wang D (2019) Nano Energy 64:103893. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103893
25 Gao Z, Zhang S, Huang Z, Lu Y, Wang W, Wang K, et al. (2019) Chinese Chem Lett 30:525–528. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2018.05.016
26 Zhang SJ, Gao ZG, Wang WW, Lu YQ, Deng YP, You JH, et al. (2018) Small 14:1801054. https://doi.org/10.1002/smll.201801054
27 Liu Y, Lin D, Yuen PY, Liu K, Xie J, Dauskardt RH, et al. (2017) Adv Mater 29:1605531. https://doi.org/10.1002/adma.201605531
28 Luo Y, Li T, Zhang H, Yu Y, Hussain A, Yan J, et al. (2021) J Energy Chem 56:14–22. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.07.036
29 Liang J, Li X, Zhao Y, Goncharova L V., Li W, Adair KR, et al. (2019) Adv Energy Mater 9:1902125. https://doi.org/10.1002/aenm.201902125
30 Liang J, Li X, Zhao Y, Goncharova L V., Wang G, Adair KR, et al. (2018) Adv Mater 30:1804684. https://doi.org/10.1002/adma.201804684
31 Lu Y, Gu S, Hong X, Rui K, Huang X, Jin J, et al. (2017) Energy Storage Mater 11:16–23. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.09.007
32 Lang J, Long Y, Qu J, Luo X, Wei H, Huang K, et al. (2018) Energy Storage Mater 16:85–90. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.04.024
33 Yuan Y, Wu F, Bai Y, Li Y, Chen G, Wang Z, et al. (2018) Energy Storage Mater 16:411–418. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.06.022
34 Yan C, Cheng XB, Yao YX, Shen X, Li BQ, Li WJ, et al. (2018) Adv Mater 30:1804461. https://doi.org/10.1002/adma.201804461
35 Lin Y, Wen Z, Liu J, Wu D, Zhang P, Zhao J (2021) J Energy Chem 55:129–135. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.07.003
36 Jia W, Wang Q, Yang J, Fan C, Wang L, Li J (2017) ACS Appl Mater Interfaces 9:7068–7074. https://doi.org/10.1021/acsami.6b14614
37 Ma L, Kim MS, Archer LA (2017) Chem Mater 29:4181–4189. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b03687
38 Liu F, Xiao Q, Wu H Bin, Shen L, Xu D, Cai M, et al. (2018) Adv Energy Mater 8:1701744. https://doi.org/10.1002/aenm.201701744
39 Kim JY, Kim AY, Liu G, Woo JY, Kim H, Lee JK (2018) ACS Appl Mater Interfaces 10:8692–8701. https://doi.org/10.1021/acsami.7b18997
40 Li Y, Sun Y, Pei A, Chen K, Vailionis A, Li Y, et al. (2018) ACS Cent Sci 4:97–104. https://doi.org/10.1021/acscentsci.7b00480
41 Li WJ, Li Q, Huang J, Peng JY, Chu G, Lu YX, et al. (2017) Chinese Phys B 26:088202. https://doi.org/10.1088/1674-1056/26/8/088202
42 Li Y, Li Y, Sun Y, Butz B, Yan K, Koh AL, et al. (2017) Nano Lett 17:5171–5178. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b02630
43 Zhao J, Liao L, Shi F, Lei T, Chen G, Pei A, et al. (2017) J Am Chem Soc 139:11550–11558. https://doi.org/10.1021/jacs.7b05251
44 Ni J, Lei Y, Han Y, Zhang Y, Zhang C, Geng Z, et al. (2023) Batteries 9:283. https://doi.org/10.3390/batteries9050283
45 Ma Y, Qi P, Ma J, Wei L, Zhao L, Cheng J, et al. (2021) Adv Sci 8:2100488. https://doi.org/10.1002/advs.202100488
46 Liu Y, Tzeng YK, Lin D, Pei A, Lu H, Melosh NA, et al.
47 (2018) Joule 2:1595–1609. https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.05.007
48 Wang G, Chen C, Chen Y, Kang X, Yang C, Wang F, et al. (2020) Angew Chemie - Int Ed 59:2055–2060. https://doi.org/10.1002/anie.201913351
49 Song G, Hwang C, Song WJ, Lee JH, Lee S, Han DY, et al. (2022) Small 18:2105724. https://doi.org/10.1002/smll.202105724
50 Xiao Y, Xu R, Yan C, Liang Y, Ding JF, Huang JQ (2020) Sci Bull 65:909–916. https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.02.022
51 Liang Y, Xiao Y, Yan C, Xu R, Ding JF, Liang J, et al. (2020) J Energy Chem 48:203–207. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.01.027
52 Lee YG, Ryu S, Sugimoto T, Yu T, Chang WS, Yang Y, et al. (2017) Chem Mater 29:5906–5914. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b01304
53 Singh N, Arthur TS, Jones M, Tutusaus O, Takechi K, Matsunaga T, et al. (2019) ACS Appl Energy Mater 2:8912–8918. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01937
54 Wang H, Matsui M, Kuwata H, Sonoki H, Matsuda Y, Shang X, et al. (2017) Nat Commun 8:15106. https://doi.org/10.1038/ncomms15106
55 Delaporte N, Perea A, Collin-Martin S, Léonard M, Matton J, Gariepy V, et al. (2022) Batter Supercaps 5:202200245. https://doi.org/10.1002/batt.202200245
56 Wang L, Zhang L, Wang Q, Li W, Wu B, Jia W, et al. (2017) Energy Storage Mater 10:16–23. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.08.001
57 Wang L, Wang Q, Jia W, Chen S, Gao P, Li J (2017) J Power Sources 342:175–182. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.11.097
58 Cha E, Patel MD, Park J, Hwang J, Prasad V, Cho K, et al. (2018) Nat Nanotechnol 13:337–343. https://doi.org/10.1038/s41565-018-0061-y
59 Zhang YJ, Bai WQ, Wang XL, Xia XH, Gu CD, Tu JP (2016) J Mater Chem A 4:15597–15604. https://doi.org/10.1039/c6ta06612g
60 Kazyak E, Wood KN, Dasgupta NP (2015) Chem Mater 27:6457–6462. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b02789
61 Kozen AC, Lin CF, Pearse AJ, Schroeder MA, Han X, Hu L, et al. (2015) ACS Nano 9:5884–5892. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b02166
62 Chen L, Connell JG, Nie A, Huang Z, Zavadil KR, Klavetter KC, et al. (2017) J Mater Chem A 5:12297–12309. https://doi.org/10.1039/c7ta03116e
63 Cao Y, Meng X, Elam JW (2016) ChemElectroChem 3:858–863. https://doi.org/10.1002/celc.201600139
64 Chen L, Chen KS, Chen X, Ramirez G, Huang Z, Geise NR, et al. (2018) ACS Appl Mater Interfaces 10:26972–26981. https://doi.org/10.1021/acsami.8b04573
65 Chen K, Pathak R, Gurung A, Adhamash EA, Bahrami B, He Q, et al. (2019) Energy Storage Mater 18:389–396. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.02.006
66 Zhao J, Lee HW, Sun J, Yan K, Liu Y, Liu W, et al. (2016) Proc Natl Acad Sci U S A 113:7408–7413. https://doi.org/10.1073/pnas.1603810113
67 Wang W, Yue X, Meng J, Wang J, Wang X, Chen H, et al. (2018) Energy Storage Mater 18:414–422. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.08.010
68 Liu W, Guo R, Zhan B, Shi B, Li Y, Pei H, et al. (2018) ACS Appl Energy Mater 1:1674–1679. https://doi.org/10.1021/acsaem.8b00132
69 Guan M, Huang Y, Meng Q, Zhang B, Chen N, Li L, et al. (2022) Small 18:2202981. https://doi.org/10.1002/smll.202202981
70 Jang EK, Ahn J, Yoon S, Cho KY (2019) Adv Funct Mater 29:1905078. https://doi.org/10.1002/adfm.201905078
71 Kwak WJ, Park J, Nguyen TT, Kim H, Byon HR, Jang M, et al. (2019) J Mater Chem A 7:3857–3862. https://doi.org/10.1039/c8ta11941d
72 Xu R, Xiao Y, Zhang R, Cheng XB, Zhao CZ, Zhang XQ, et al. (2019) Adv Mater 31:1808392. https://doi.org/10.1002/adma.201808392
73 Jiang Z, Jin L, Han Z, Hu W, Zeng Z, Sun Y, et al. (2019) Angew Chemie - Int Ed 58:11374–11378. https://doi.org/10.1002/anie.201905712
74 Wang J, Hu H, Zhang J, Li L, Jia L, Guan Q, et al. (2022) Energy Storage Mater 52:210–219. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.08.004
75 Sun S, Myeong S, Kim J, Lee D, Kim J, Park K, et al. (2022) Chem Eng J 450:137993. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137993
76 Liu X, Liu J, Qian T, Chen H, Yan C (2020) Adv Mater 32:1902724. https://doi.org/10.1002/adma.201902724
77 Huang Z, Huang T, Ye X, Feng X, Yang X, Liang J, et al. (2022) Appl Surf Sci 605:154586. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154586
78 Xu Q, Lin J, Ye C, Jin X, Ye D, Lu Y, et al. (2020) Adv Energy Mater 10:1903292. https://doi.org/10.1002/aenm.201903292
79 Liu Y, Lin D, Jin Y, Liu K, Tao X, Zhang Q, et al. (2017) Sci Adv 3:eaao0713. https://doi.org/10.1126/sciadv.aao0713
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Авторы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License (CC BY-NC-ND 4.0), которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
