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(guān)鍵。

金屬鋰電極無法商業(yè)應用的關(guān)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(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰的反應活性大大降低，而且固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(guān)鍵技術(shù)。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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(guān)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(jié)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(zhì)保護的金屬鋰電極面臨的挑戰(zhàn)

當固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰匹配時，固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)中的循環(huán)數(shù)據(jù)。

3.金屬鋰和固態(tài)電解質(zhì)之間的基本化學規(guī)律

為了滿足固態(tài)電解質(zhì)的實用化要求，固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)內(nèi)部的離子傳輸通道如何分配是決定電解質(zhì)離子導率的基本問題。而固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生重要影響。

4.構(gòu)建高效固態(tài)金屬鋰電極的高效策略

為了構(gòu)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(zhì)、界面修飾和混合導體金屬鋰網(wǎng)絡等。復合固態(tài)電解質(zhì)可提高電解質(zhì)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(zhì)潤濕層等。混合導體網(wǎng)絡則是希望在金屬鋰電極內(nèi)部，通過同時構(gòu)建導電子（導電骨架）和導離子（復合固態(tài)電解質(zhì)）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(nèi)部使用固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)、在兩者界面處使用高效過渡層。

5.總結(jié)與展望

使用固態(tài)電解質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)和金屬鋰的界面處的擴散和反應行為、穩(wěn)定界面構(gòu)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(lǐng)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(lǐng)域，其通過原位手段研究固態(tài)電解質(zhì)界面膜，并采用納米骨架、人工SEI、表面固態(tài)電解質(zhì)保護調(diào)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(guān)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(lǐng)域申請了一系列發(fā)明專利。