當(dāng)前基于石墨負(fù)極的鋰離子電池的實(shí)際能量密度已經(jīng)接近其理論值(約為350Whkg-1)，因此現(xiàn)有鋰離子電池很難滿(mǎn)足更長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展需求。在眾多其他備選負(fù)極材料中，鋰金屬具有諸多優(yōu)勢(shì)，比如：極高的比容量(3860mAhg-1)，極低的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位(-3.040V)和很小的密度等，所以鋰金屬一直被認(rèn)為是最理想的負(fù)極材料之一，并在近幾年重新引起了世界范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)的研究熱情和大量投入。但是，在鋰金屬負(fù)極走向應(yīng)用之前，以下核心問(wèn)題應(yīng)該也必須得到解決：(1)完全無(wú)序生長(zhǎng)的鋰枝晶會(huì)引發(fā)電池安全問(wèn)題;(2)擁有高費(fèi)米能級(jí)的鋰金屬幾乎與所有常見(jiàn)的電解液發(fā)生不可逆反應(yīng)，在鋰金屬表面形成較厚的SEI膜，在消耗了電解液和鋰金屬的同時(shí)也增加了電池的內(nèi)阻，從而導(dǎo)致電池壽命的縮短;(3)在反復(fù)的鋰金屬沉積和剝離過(guò)程后，循環(huán)后的鋰金屬的表面形貌和體積將發(fā)生明顯改變，單純依靠非常脆弱的SEI膜很難完全抑制上述鋰金屬的巨大變化。上述三項(xiàng)將是未來(lái)高能量可充鋰金屬電池進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。

成果簡(jiǎn)介：

最近，美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的劉彬(BinLiu)博士，張繼光(Ji-GuangZhang)博士和許武(WuXu)博士(通訊作者)在CellPress旗下的能源領(lǐng)域新旗艦期刊Joule在線發(fā)表了題為“AdvancingLithiumMetalBatteries”的前瞻性綜述論文。作者介紹了目前世界范圍內(nèi)在鋰金屬保護(hù)方面的最新重要進(jìn)展，并提出了鋰金屬穩(wěn)定化和未來(lái)鋰金屬電池發(fā)展的研究方向和展望。

作者總結(jié)了三種不同鋰金屬電池：由傳統(tǒng)嵌入式正極與鋰金屬組成的鋰金屬電池，由硫正極與鋰金屬組成的鋰硫電池，以及由空氣正極與鋰金屬組成的鋰空氣電池。如圖1所示，它們各自具有不同的電池充放電反應(yīng)和鋰金屬面臨的諸多挑戰(zhàn)。在鋰硫和鋰空氣電池中，鋰金屬還會(huì)分別面臨多硫化物和超氧根自由基負(fù)離子的進(jìn)攻，導(dǎo)致鋰金屬發(fā)生更多的副反應(yīng)。因此，相對(duì)于在基于嵌入式正極的鋰金屬電池中鋰金屬的不穩(wěn)定性問(wèn)題，在鋰硫和鋰空氣電池中有效地保護(hù)鋰金屬將會(huì)更加復(fù)雜和困難。但是，極高能量密度的鋰硫和鋰空氣電池幾乎完全依賴(lài)于鋰金屬負(fù)極的利用率，所以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰金屬良好的保護(hù)是下一代新型電池技術(shù)發(fā)展的重中之重。作者精煉地綜述了在抑制鋰金屬枝晶生長(zhǎng)，穩(wěn)定鋰金屬與電解質(zhì)界面和鋰金屬負(fù)極結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的標(biāo)志性重要研究進(jìn)展，詳見(jiàn)圖2至圖4。

圖文導(dǎo)讀：

圖1.三種鋰金屬電池的特性和相應(yīng)鋰金屬面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

圖2.通過(guò)改善電解液來(lái)穩(wěn)定鋰金屬的重要研究進(jìn)展

圖3.通過(guò)界面工程來(lái)抑制鋰枝晶形成的重要研究進(jìn)展

圖4設(shè)計(jì)新型鋰金屬負(fù)極構(gòu)造的重要研究進(jìn)展

全文小結(jié)：

作者認(rèn)為盡管目前眾多研究表明鋰金屬枝晶生長(zhǎng)能夠在一定程度上得到抑制，但是如果想要把鋰金屬負(fù)極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用層面，仍然有很多問(wèn)題值得仔細(xì)考慮并加以解決。更為重要的是，作者也給出了對(duì)未來(lái)鋰金屬保護(hù)和鋰金屬電池發(fā)展具有指導(dǎo)作用的發(fā)展方向：

1)更準(zhǔn)確的理解SEI膜的細(xì)微形貌，形成機(jī)理，組分和特性。比如研究人員可以借助透射電子顯微鏡，原子力顯微鏡，拉曼光譜等。其中，原位的表征與觀測(cè)將更有助于給出更準(zhǔn)確的判斷。

2)通過(guò)形成具有高離子電導(dǎo)率的表面膜來(lái)阻隔鋰金屬和電解液的直接接觸，從而提高鋰金屬和電解液的穩(wěn)定性。另外，找出最優(yōu)化的電解液中鋰鹽與溶劑的配位關(guān)系，減少自由(即未配位)的鋰鹽陰離子與溶劑數(shù)量，提高電解液對(duì)鋰金屬，多硫化物和超氧根自由根負(fù)離子的穩(wěn)定性。

3)不應(yīng)僅限于在簡(jiǎn)單的鋰鋰對(duì)稱(chēng)電池或鋰銅電池中評(píng)估其穩(wěn)定性，應(yīng)該在上述提到的三種全電池中全面的評(píng)估鋰金屬的穩(wěn)定性。而且，在性能評(píng)估中應(yīng)使用有限的鋰金屬用量，少量的電解液，高的鋰金屬容量利用率(如3~4mAh/cm2)和高的充電電流密度(>1mA/cm2)。

4)無(wú)枝晶鋰生長(zhǎng)必須通過(guò)各個(gè)電池部件優(yōu)化協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而極大地降低電池安全風(fēng)險(xiǎn)。

5)鋰金屬在循環(huán)過(guò)程中的體積劇的變會(huì)造成死鋰的形成，也會(huì)對(duì)電池的集成和工作造成比鋰枝晶更為明顯的直接影響，所以有效地抑制在循環(huán)過(guò)程中鋰金屬的體積和形貌變化也顯得特別重要。設(shè)計(jì)一些三維結(jié)構(gòu)的基材包裹住鋰金屬來(lái)限制它的體積變化是一種行之有效的方法。

6)根據(jù)不同的鋰金屬電池的實(shí)際容量需求，可以調(diào)控鋰金屬在負(fù)極集流體上的沉積量。另外，通過(guò)三維打印技術(shù)，機(jī)械技術(shù)和光刻技術(shù)等可以設(shè)計(jì)二維或三維金屬集流體以使鋰金屬有序地沉積在預(yù)先設(shè)計(jì)好的模型中。

7)用低成本簡(jiǎn)化的鋰金屬保護(hù)方法來(lái)替代目前大多數(shù)復(fù)雜及高成本的方法，例如：原位電化學(xué)預(yù)處理方法在鋰金屬上形成超薄的保護(hù)膜，用于在后續(xù)的電池循環(huán)中提供對(duì)鋰的持續(xù)性保護(hù)。

8)為鋰金屬極片的加工制作，包裝，存儲(chǔ)，運(yùn)輸以及電池封裝設(shè)計(jì)一套可行的專(zhuān)門(mén)的方法來(lái)確保對(duì)鋰金屬的“一條龍”式保護(hù)。其中，對(duì)高穩(wěn)定性的鋰金屬極片外包裝材料應(yīng)有高度需求。