天津大學侯峰＆卧龍崗大學梁驥最新EnSM綜述：快速獲取鋰金屬電池最新研究進展

【引言】

鋰離子電池是目前應用最廣泛、和日常生活密切相關的儲能元件。然而，鋰離子電池有限的能量密度已經滿足不了日益增長的應用需求。鋰金屬電池憑藉超高的理論能量密度，有望成為下一代高性能儲能元件。不過，鋰金屬電池在實際應用中存在嚴重的安全隱患，包括鋰枝晶的形成、鋰金屬的高表面活性以及鋰金屬電極無限的體積效應等。近年來，製備安全穩定的鋰金屬電極吸引了大量研究者的興趣，同時湧現了許多優秀成果的報道。這裡介紹了一篇綜述，可以使讀者更全面地了解鋰金屬電極領域的最新研究進展。

【成果簡介】

近日，天津大學材料科學與工程學院的侯峰副教授領導的研究團隊與澳大利亞卧龍崗大學的梁驥博士共同開展了關於安全穩定的鋰金屬負極的工程設計進展的研究，並在Energy Storage Materials上發表了題為「Engineering of Lithium-Metal Anodes towards a Safe and Stable Battery」的綜述論文。共同第一作者王磊和周子玥詳盡調研了200餘篇文獻，從失效機理、電解質改性、界面工程和電極結構設計等方面，綜合地介紹了鋰金屬電極目前存在的問題和解決方法，以及未來研究的方向，文中包含了許多最新提出的設計理念和研究成果，對鋰金屬電池領域的同仁快速直接地把握當前的研究現狀和未來的發展趨勢具有重大意義。

在這篇綜述中，首先介紹了鋰金屬電極的主要失效機理。作者將影響金屬鋰電極循環性能和安全性能的因素歸結為三個方面：金屬鋰的高反應活性、循環過程中較大的體積變化、以及兩者共同導致的鋰枝晶的生長。為了進一步研究鋰枝晶的形成和生長過程，文中對形貌觀察手段尤其是冷凍電鏡等新型表徵手段進行了著重的介紹。

接下來，作者從液態和固態兩方面闡述了電解質的改性手段。在液態電解質中，由於鋰金屬會同電解液發生反應，溶劑、電解質和添加劑的選擇均會影響到鋰電極的性能。作者首先指出在對溶劑的選擇上，已經從對單一種類的溶劑，發展到了對具有良好綜合性能的多元溶劑的研究，例如應用較多的在EC溶液中添加不同的線性碳酸鹽從而獲得使用電壓範圍較高的電解液。接著作者詳細介紹了包括傳統電解質LiPF6和LiTFSI等新型電解質在內的最新研究進展。除此之外，向電解液中加入合適的添加劑可以改變生成的SEI膜的成分和物理化學性質，從而提高對鋰金屬電極的保護。文中作者按照含鋰添加劑、二元氧化物添加劑、氟化物添加劑和含鋁元素添加劑的分類進行了具體分析。

固態電解質相比液態電解質，具有更好的力學性能，同時可以和活潑的鋰金屬電極保持穩定接觸，從根本上抑制了鋰枝晶的生長。固態電解質主要分為無機、聚合物和無機/聚合物混合三種類型，其中無機固態電解質具有相對較高的機械強度和離子電導率，但相比聚合物電解質，其與鋰金屬電極的接觸較為粗糙，從而產生了額外的界面電阻。另一方面，聚合物電解質雖然具有較好的機械靈活性，但缺乏足夠的力學剛度來阻擋鋰枝晶的形成。因此，無機/聚合物混合固態電解質可以綜合兩者的優點，從而實現力學和電化學性能上的雙重提高，是一個更加可取的策略。本文中詳細地介紹了包括聚合物/陶瓷/聚合物的「三明治」型結構、陶瓷納米纖維、納米片等低維納米材料與聚合物電解質複合等新型思路和最新研究成果。

在界面工程上，通過對電極表面SEI膜以及電池隔膜的改性，可以實現更好的安全性能和循環性能。文中詳細介紹了在對鋰電極表面的修飾中採用的人工SEI膜的方法，其相比鋰電極表面原位形成的SEI膜，具有厚度可控，強度較大的優點。同時，作者著重分析了磁控濺射、Langmuir-Blodgett膜技術以及宏觀物理轉移等方法的特點，以及含鋰化合物、含鋁化合物和有機物、有機/無機混合物作為人工SEI膜的優勢。除此之外，在對電池隔膜的修飾上，傳統的陶瓷顆粒塗層以及新型隔膜保護層的研究成果都將進行一一介紹。

在電極結構設計上，利用多孔的宿主材料構建一個穩定的框架，來引導鋰金屬在電極表面的均勻沉積，可以有效地改善鋰金屬電極在電池循環過程中的體積效應。在本篇綜述中，作者將宿主材料歸納為碳基、金屬基和絕緣材料三種類型，詳細介紹了包括褶皺狀石墨烯球、泡沫鎳、聚苯乙烯（PS）微球以及納米微通道等新型結構，並綜合對比了各種材料和製備方法的優缺點，提出了以後的研究方向。

【圖文導讀】

圖1 構造安全穩定的鋰金屬電池的方法示意圖

圖2 鋰離子電池和鋰金屬電池的原理對比圖

圖3 多種無機/聚合物混合固態電解質的結構

示意圖

圖4 聚合物以及有機無機混合人工SEI膜的結

構示意圖

圖5 親鋰塗層可以使鋰金屬更均勻地沉積在復

合電極上

【小結】

鋰金屬電極具有低密度、高能儲、低電位的優點，但在與傳統的液態有機電解質接觸時，會自發地發生化學發應，從而造成活性物質的消耗和鋰枝晶的形成。本篇綜述首先介紹了鋰金屬電極失效的微觀機理，接下來從電解質、電極和界面三個角度整理總結了目前有效的解決途徑和最新研究成果。文章最後指出了固態電解質的改進和新型電池結構的設計是未來鋰金屬電池的兩個主要研究方向，同時多種製備方法相結合是實現鋰金屬電池商業應用的必要途徑。

文獻鏈接：Engineering of Lithium-Metal Anodes towards a Safe and Stable Battery（Energy Storage Mater.,2018,DOI:10.1016/j.ensm.2018.02.014）

本文由天津大學候峰副教授研究團隊提供，特此感謝。

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