天津大学侯峰&卧龙岗大学梁骥最新EnSM综述：快速获取锂金属电池最新研究进展

【引言】

锂离子电池是目前应用最广泛、和日常生活密切相关的储能元件。然而，锂离子电池有限的能量密度已经满足不了日益增长的应用需求。锂金属电池凭借超高的理论能量密度，有望成为下一代高性能储能元件。不过，锂金属电池在实际应用中存在严重的安全隐患，包括锂枝晶的形成、锂金属的高表面活性以及锂金属电极无限的体积效应等。近年来，制备安全稳定的锂金属电极吸引了大量研究者的兴趣，同时涌现了许多优秀成果的报道。这里介绍了一篇综述，可以使读者更全面地了解锂金属电极领域的最新研究进展。

【成果简介】

近日，天津大学材料科学与工程学院的侯峰副教授领导的研究团队与澳大利亚卧龙岗大学的梁骥博士共同开展了关于安全稳定的锂金属负极的工程设计进展的研究，并在Energy Storage Materials上发表了题为“Engineering of Lithium-Metal Anodes towards a Safe and Stable Battery”的综述论文。共同第一作者王磊和周子玥详尽调研了200余篇文献，从失效机理、电解质改性、界面工程和电极结构设计等方面，综合地介绍了锂金属电极目前存在的问题和解决方法，以及未来研究的方向，文中包含了许多最新提出的设计理念和研究成果，对锂金属电池领域的同仁快速直接地把握当前的研究现状和未来的发展趋势具有重大意义。

在这篇综述中，首先介绍了锂金属电极的主要失效机理。作者将影响金属锂电极循环性能和安全性能的因素归结为三个方面：金属锂的高反应活性、循环过程中较大的体积变化、以及两者共同导致的锂枝晶的生长。为了进一步研究锂枝晶的形成和生长过程，文中对形貌观察手段尤其是冷冻电镜等新型表征手段进行了着重的介绍。

接下来，作者从液态和固态两方面阐述了电解质的改性手段。在液态电解质中，由于锂金属会同电解液发生反应，溶剂、电解质和添加剂的选择均会影响到锂电极的性能。作者首先指出在对溶剂的选择上，已经从对单一种类的溶剂，发展到了对具有良好综合性能的多元溶剂的研究，例如应用较多的在EC溶液中添加不同的线性碳酸盐从而获得使用电压范围较高的电解液。接着作者详细介绍了包括传统电解质LiPF₆和LiTFSI等新型电解质在内的最新研究进展。除此之外，向电解液中加入合适的添加剂可以改变生成的SEI膜的成分和物理化学性质，从而提高对锂金属电极的保护。文中作者按照含锂添加剂、二元氧化物添加剂、氟化物添加剂和含铝元素添加剂的分类进行了具体分析。

固态电解质相比液态电解质，具有更好的力学性能，同时可以和活泼的锂金属电极保持稳定接触，从根本上抑制了锂枝晶的生长。固态电解质主要分为无机、聚合物和无机/聚合物混合三种类型，其中无机固态电解质具有相对较高的机械强度和离子电导率，但相比聚合物电解质，其与锂金属电极的接触较为粗糙，从而产生了额外的界面电阻。另一方面，聚合物电解质虽然具有较好的机械灵活性，但缺乏足够的力学刚度来阻挡锂枝晶的形成。因此，无机/聚合物混合固态电解质可以综合两者的优点，从而实现力学和电化学性能上的双重提高，是一个更加可取的策略。本文中详细地介绍了包括聚合物/陶瓷/聚合物的“三明治”型结构、陶瓷纳米纤维、纳米片等低维纳米材料与聚合物电解质复合等新型思路和最新研究成果。

在界面工程上，通过对电极表面SEI膜以及电池隔膜的改性，可以实现更好的安全性能和循环性能。文中详细介绍了在对锂电极表面的修饰中采用的人工SEI膜的方法，其相比锂电极表面原位形成的SEI膜，具有厚度可控，强度较大的优点。同时，作者着重分析了磁控溅射、Langmuir-Blodgett膜技术以及宏观物理转移等方法的特点，以及含锂化合物、含铝化合物和有机物、有机/无机混合物作为人工SEI膜的优势。除此之外，在对电池隔膜的修饰上，传统的陶瓷颗粒涂层以及新型隔膜保护层的研究成果都将进行一一介绍。

在电极结构设计上，利用多孔的宿主材料构建一个稳定的框架，来引导锂金属在电极表面的均匀沉积，可以有效地改善锂金属电极在电池循环过程中的体积效应。在本篇综述中，作者将宿主材料归纳为碳基、金属基和绝缘材料三种类型，详细介绍了包括褶皱状石墨烯球、泡沫镍、聚苯乙烯（PS）微球以及纳米微通道等新型结构，并综合对比了各种材料和制备方法的优缺点，提出了以后的研究方向。

【图文导读】

图1 构造安全稳定的锂金属电池的方法示意图

图2 锂离子电池和锂金属电池的原理对比图

图3 多种无机/聚合物混合固态电解质的结构示意图

图4 聚合物以及有机无机混合人工SEI膜的结构示意图

图5 亲锂涂层可以使锂金属更均匀地沉积在复合电极上

【小结】

锂金属电极具有低密度、高能储、低电位的优点，但在与传统的液态有机电解质接触时，会自发地发生化学发应，从而造成活性物质的消耗和锂枝晶的形成。本篇综述首先介绍了锂金属电极失效的微观机理，接下来从电解质、电极和界面三个角度整理总结了目前有效的解决途径和最新研究成果。文章最后指出了固态电解质的改进和新型电池结构的设计是未来锂金属电池的两个主要研究方向，同时多种制备方法相结合是实现锂金属电池商业应用的必要途径。

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

本文由天津大学候峰副教授研究团队提供，特此感谢。

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