能源是人類社會發(fā)展的永恒動力，而電池的出現(xiàn)使能源的利用更加高效和便捷。鋰離子電池的商業(yè)應用帶來了3C類電子設備和電動汽車的市場繁榮。電子設備的智能化和電動汽車的續(xù)航不足給電池的能量密度提出了迫切的要求。發(fā)展下一代高能量密度、長壽命和高安全的電池系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。

為了獲取更高能量密度的電池系統(tǒng)，各國都制定了相應的發(fā)展規(guī)劃。發(fā)展300-800Wh/kg的新體系電池是應對全球挑戰(zhàn)的重要策略。對目前的電極材料進行分析發(fā)現(xiàn)，石墨負極已經(jīng)接近發(fā)揮出其理論容量，但是仍然無法滿足高能量密度的需求。金屬鋰負極的理論能量密度是石墨負極的十倍，是非常有前景的電極材料。因此，金屬鋰電極的安全利用是下一代高能量密度電池的關鍵。

金屬鋰電極無法商業(yè)應用的關鍵是其高（電）化學反應活性和枝晶生長。相對于常規(guī)的液態(tài)電解質，固態(tài)電解質與金屬鋰的反應活性大大降低，而且固態(tài)電解質的高機械模量對于金屬鋰的枝晶生長也具有抑制作用。因此，固態(tài)電解質為金屬鋰電極的安全和高效運行提高了可能，固態(tài)電解質與金屬鋰的“聯(lián)姻”被認為是下一位高能量密度金屬鋰電池的必經(jīng)之路，是解決新體系電池的“卡脖子”關鍵技術。隨著研究的深入，固態(tài)金屬鋰電池仍然面臨很多問題。除了固態(tài)電解質本身的低離子導率和高界面阻抗外，金屬鋰本身的高反應活性和金屬鋰枝晶生長問題依然無法有效解決。

近期，清華大學張強教授團隊就金屬鋰電極和固態(tài)電解質匹配過程中存在的材料和界面化學問題進行了梳理，發(fā)表了題為“RecentAdvancesinEnergyChemistrybetweenSolid-StateElectrolyteandSafeLithium-MetalAnodes”的綜述論文。在本篇綜述中，首先引入固態(tài)電解質和金屬鋰電極匹配時存在的問題。其次，作者介紹了解決這些問題時，需要關注的基本原則和規(guī)律。基于這些基本原理和方法，作者總結了近年來提出的提高固態(tài)金屬鋰電池安全性和壽命的高效策略。最后，作者就這些保護策略展開討論，并對今后的固態(tài)金屬鋰電極的研究和發(fā)展方向進行了展望。

1.金屬鋰電極存在的問題

目前的金屬鋰電極主要存在枝晶生長、高金屬鋰反應活性、劇烈的體積膨脹等問題，這些問題會嚴重降低電池的安全性、能量密度和使用壽命。

2.固態(tài)電解質保護的金屬鋰電極面臨的挑戰(zhàn)

當固態(tài)電解質與金屬鋰匹配時，固態(tài)電解質和金屬鋰之間的界面并不是完全穩(wěn)定，某些固態(tài)電解質在與熔融金屬鋰接觸時，也會發(fā)生爆炸。金屬鋰在和固態(tài)電解質接觸后，由于界面接觸差等問題，金屬鋰的枝晶生長并不能有效解決。這些問題使得目前的金屬鋰電極在和固態(tài)電解質匹配之后，室溫循環(huán)性能很差，容量（0.0025~3mAh/cm2）和電流（0.01~3mA/cm2）遠低于目前金屬鋰在液態(tài)電解質中的循環(huán)數(shù)據(jù)。

3.金屬鋰和固態(tài)電解質之間的基本化學規(guī)律

為了滿足固態(tài)電解質的實用化要求，固態(tài)電解質一般是聚合物高分子和無機陶瓷的復合體系。在這種復合固態(tài)電解質內部的離子傳輸通道如何分配是決定電解質離子導率的基本問題。而固態(tài)電解質與金屬鋰接觸的界面，不僅會存在物理上的孔洞，是否會像硫化物固態(tài)電解質和氧化物正極那樣存在一個空間電荷層，若存在將會對電池的性能產生重要影響。

4.構建高效固態(tài)金屬鋰電極的高效策略

為了構建高效的固態(tài)金屬鋰電極，研究人員提出了復合固態(tài)電解質、界面修飾和混合導體金屬鋰網(wǎng)絡等。復合固態(tài)電解質可提高電解質的機械性能、離子導率、改善與金屬鋰的接觸界面。在界面修飾方面，研究人員提出了合金層界面、柔性高分子修飾層和液態(tài)電解質潤濕層等。混合導體網(wǎng)絡則是希望在金屬鋰電極內部，通過同時構建導電子（導電骨架）和導離子（復合固態(tài)電解質）的通道，實現(xiàn)金屬鋰的高效存儲和沉積/脫出。

金屬鋰電極內部使用固態(tài)電解質和導電骨架作為離子和電子混合導體網(wǎng)絡、隔膜層使用致密且柔性的復合固態(tài)電解質、在兩者界面處使用高效過渡層。

5.總結與展望

使用固態(tài)電解質和金屬鋰負極的固態(tài)金屬鋰電池有望進一步提高電池的能量密度，提供大幅度提高3C類電子產品和電動汽車續(xù)航時間的美好愿景。但是，在實際運行過程中，固態(tài)電解質依然無法完美解決金屬鋰負極的問題。高界面阻抗、枝晶生長、低循環(huán)容量等問題嚴重限制了固態(tài)金屬鋰電池的發(fā)展。為了獲得長循環(huán)、高容量和高安全的金屬鋰電極，固態(tài)電解質和金屬鋰的界面處的擴散和反應行為、穩(wěn)定界面構建、界面阻抗降低、與正極的兼容性、工作狀態(tài)下電池的表征、高通量篩選、電池整體考慮等還需要進一步設計。通過化學、工程、能源材料、機械和電池管理等的協(xié)同合作，固態(tài)金屬鋰電池的實際應用也會發(fā)生在不久的未來。

近年來，清華大學張強教授研究團隊在能源材料化學領域，尤其是鋰硫電池、金屬鋰負極和電催化開展研究工作。在金屬鋰負極的研究領域，其通過原位手段研究固態(tài)電解質界面膜，并采用納米骨架、人工SEI、表面固態(tài)電解質保護調控金屬鋰的沉積行為，抑制鋰枝晶的生長，實現(xiàn)金屬鋰的高效安全利用。這些相關研究工作發(fā)表在Angew.Chem.Int.Ed.,J.Am.Chem.Soc.,Adv.Mater.,PNAS,Nat.Commun.,Chem,Joule,EnergyEnviron.Sci.,EnergyStorageMater.等期刊。該研究團隊在鋰硫電池及金屬鋰保護領域申請了一系列發(fā)明專利。