當前基于石墨負極的鋰離子電池的實際能量密度已經(jīng)接近其理論值(約為350Whkg-1)，因此現(xiàn)有鋰離子電池很難滿足更長續(xù)航電動汽車的發(fā)展需求。在眾多其他備選負極材料中，鋰金屬具有諸多優(yōu)勢，比如：極高的比容量(3860mAhg-1)，極低的標準氧化還原電位(-3.040V)和很小的密度等，所以鋰金屬一直被認為是最理想的負極材料之一，并在近幾年重新引起了世界范圍內(nèi)不斷增長的研究熱情和大量投入。但是，在鋰金屬負極走向應(yīng)用之前，以下核心問題應(yīng)該也必須得到解決：(1)完全無序生長的鋰枝晶會引發(fā)電池安全問題;(2)擁有高費米能級的鋰金屬幾乎與所有常見的電解液發(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也增加了電池的內(nèi)阻，從而導致電池壽命的縮短;(3)在反復的鋰金屬沉積和剝離過程后，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。上述三項將是未來高能量可充鋰金屬電池進一步發(fā)展的關(guān)鍵點。

成果簡介：

最近，美國能源部西北太平洋國家實驗室的劉彬(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)在鋰金屬保護方面的最新重要進展，并提出了鋰金屬穩(wěn)定化和未來鋰金屬電池發(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，鋰金屬還會分別面臨多硫化物和超氧根自由基負離子的進攻，導致鋰金屬發(fā)生更多的副反應(yīng)。因此，相對于在基于嵌入式正極的鋰金屬電池中鋰金屬的不穩(wěn)定性問題，在鋰硫和鋰空氣電池中有效地保護鋰金屬將會更加復雜和困難。但是，極高能量密度的鋰硫和鋰空氣電池幾乎完全依賴于鋰金屬負極的利用率，所以實現(xiàn)對鋰金屬良好的保護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，穩(wěn)定鋰金屬與電解質(zhì)界面和鋰金屬負極結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的標志性重要研究進展，詳見圖2至圖4。

圖文導讀：

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

圖2.通過改善電解液來穩(wěn)定鋰金屬的重要研究進展

圖3.通過界面工程來抑制鋰枝晶形成的重要研究進展

圖4設(shè)計新型鋰金屬負極構(gòu)造的重要研究進展

全文小結(jié)：

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

1)更準確的理解SEI膜的細微形貌，形成機理，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，原位的表征與觀測將更有助于給出更準確的判斷。

2)通過形成具有高離子電導率的表面膜來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，提高電解液對鋰金屬，多硫化物和超氧根自由根負離子的穩(wěn)定性。

3)不應(yīng)僅限于在簡單的鋰鋰對稱電池或鋰銅電池中評估其穩(wěn)定性，應(yīng)該在上述提到的三種全電池中全面的評估鋰金屬的穩(wěn)定性。而且，在性能評估中應(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)無枝晶鋰生長必須通過各個電池部件優(yōu)化協(xié)同作用來實現(xiàn)，從而極大地降低電池安全風險。

5)鋰金屬在循環(huán)過程中的體積劇的變會造成死鋰的形成，也會對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)過程中鋰金屬的體積和形貌變化也顯得特別重要。設(shè)計一些三維結(jié)構(gòu)的基材包裹住鋰金屬來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際容量需求，可以調(diào)控鋰金屬在負極集流體上的沉積量。另外，通過三維打印技術(shù)，機械技術(shù)和光刻技術(shù)等可以設(shè)計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)計好的模型中。

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

8)為鋰金屬極片的加工制作，包裝，存儲，運輸以及電池封裝設(shè)計一套可行的專門的方法來確保對鋰金屬的“一條龍”式保護。其中，對高穩(wěn)定性的鋰金屬極片外包裝材料應(yīng)有高度需求。