锂金属电池的复兴

随着高端通讯、电动汽车等新型产业的蓬勃发展，高能量密度储能成为电池领域发展的必然趋势。现有锂离子电池受限于正负极材料的理论比容量，难以实现能量密度的突破。近年来，大容量正极材料硫、氧气（1672 mA•h•g^-1）得到研究人员的广泛关注，但这类材料需要与含锂负极相匹配。金属锂的比容量高达3860 mA•h•g^-1，密度仅为0.59 g•cm^-3，电位低至-3.04 V，是最为理想的负极材料。但金属锂还存在安全性差、倍率性能不佳、循环性能差等问题，主要是由于以下三个方面引起的：（1）局域电场增强造成锂离子不均匀沉积，进而诱导枝晶形核及生长，刺穿隔膜造成电池短路、爆炸；（2）金属锂的超高（电）化学活性使其易与电池组分发生副反应，造成锂源、电解液、正极活性物质等的持续消耗；（3）锂在沉积溶解过程中发生巨大的体积变化，造成电极粉化。

幸运的是，在科研界和产业界的不懈努力下，一系列有效的锂负极保护措施也逐渐得到发展。近日，华中科技大学材料科学与工程学院的翟天佑（点击查看介绍）、李会巧（点击查看介绍）团队详细阐述了金属锂负极的失效机制，对现有液态电解质体系下锂负极的保护措施进行综述与讨论，并展望了未来锂金属电池可能的发展方向。现有锂负极保护的原理主要是基于降低有效电流密度、减少自由阴离子、稳定锂-电解液界面、优化锂离子迁移路径、提高中间层机械强度等，具体措施主要分为以下几个方面：（1）构建三维集流体来降低有效电流密度、调控锂沉积位点并限制体积变化，结合锂沉积、熔融锂浸渍技术来实现锂的大容量负载；（2）优化电解液成分，如添加剂、锂盐、溶剂及浓度等，来改变锂沉积行为或原位构筑机械性能优异的SEI膜来抑制枝晶的生长并减少副反应；（3）采用化学反应法、包覆等方法在锂金属表面构筑离子导电人工SEI膜；（4）引入功能型隔膜或中间层等。

现有的锂负极技术的确推动了液态体系下锂金属电池的复兴，但文章指出，现有的失效机制还不够完善，已发展的各项技术也还或多或少存在缺点，未来锂金属电池的发展需要实现从液态体系向固态体系的转变。固态体系下，如何进一步提高锂离子在室温下的电导率以及固态电解质-金属锂界面的浸润性、稳定性等是目前亟待解决的核心问题，而通过固态电解质组分引入有机-无机混电解质、化学稳定缓冲层等是较为有效的解决措施。

该论文作者为：Yanpeng Guo, Huiqiao Li, Tianyou Zhai

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Reviving Lithium-Metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries

Adv. Mater., 2017, 29, 1700007, DOI: 10.1002/adma.201700007

导师介绍

翟天佑

http://www.x-mol.com/university/faculty/37861

李会巧

http://www.x-mol.com/university/faculty/37874