安全で効率的なリチウム金属電池のための負極材に関する最近の研究の進展

Recent advances in research on anodes for safe and efficient lithium-metal batteries.

• Jifang Zhang
• Yipeng Su
• Yuegang Zhang

抄録

近年、黒鉛負極を用いたリチウムイオン電池が普及した後、リチウム金属負極（LMA）の復活は電池研究に大きな影響を与えています。その主な理由は、黒鉛を用いた場合と比較して、LMAの容量が10倍以上に増加したことと、Li/Li+の酸化還元電位が低いことにあります。しかし、LMAの潜在能力は、デンドライトの成長、粉砕、副反応、体積変化などのいくつかの要因によって大きく阻害されています。これらの逆境は、Liを大量に過剰に使用せずに動作させた場合、セルのクーロン効率を劇的に低下させる。本レビューでは、まず、負極における充放電プロセスの理解に最も大きな進展があったことを紹介する。先進的な特性評価技術と古典的な手法を組み合わせることの重要性が強調されている。特に、より深い洞察を得るために、これらの研究の間に隠されたリンクを探ることを目的としている。続いて、共通の問題に対処するための2つの主要な解決策、すなわち、リチウム-電解質界面工学とリチウムの3次元ホスト化について説明し、各サブセクションでは、関連する最先端の研究を示すために、異なる方法論的観点から説明する。デンドライトを停止させるための興味深いアプローチや、リチウム金属電池の実用的な側面についての簡単なメモも提供されています。このレビューは、現在の文献からの本質的な発見と、将来のLMA研究のための貴重な提案で締めくくられている。

The revival of lithium metal anodes (LMAs) makes it a potent influence on the battery research community in the recent years after the popularity of Li-ion batteries with graphite anodes. The main reason is due to the over ten-fold increase in the capacity of LMAs when compared with that obtained when using graphite, as well as the low redox potential of Li/Li+. However, the full potential of LMAs is heavily inhibited by several factors, such as dendrite growth, pulverization, side reactions, and volume changes. These adversities lower the cell's Coulombic efficiency dramatically if operated without massively excessive Li usage. In this review, we first introduce some of the most significant progresses made in the understandings of the charging/discharging processes at the anode. The importance of combining advanced characterization techniques with classical methods is highlighted. In particular, we aim to explore the hidden links between those studies for obtaining deeper insights. Two main categories of solutions to address common problems, namely, lithium-electrolyte interfacial engineering and three-dimensional hosting of Li, are subsequently illustrated, where each subsection takes a different methodological perspective to demonstrate the relevant state-of-the-art studies. Some interesting approaches to stop dendrites and a brief note on the practical aspects of lithium-metal batteries are provided, too. This review concludes with our essential discoveries from the current literature and valuable suggestions for future LMA research.