電子設(shè)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)已迫在眉睫。

目前，電極材料中的石墨負極已經(jīng)接近發(fā)揮出其理論容量，但仍無法滿足高能量密度電池的需求。金屬鋰負極的理論能量密度是石墨負極的10倍，是非常有前景的電極材料。因此，金屬鋰電極的安全利用成為下一代高能量密度電池的關(guān)鍵。

研究發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)為金屬鋰電極的安全和高效運行提供了可能，固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰的“聯(lián)姻”也被認為是下一條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)。

近日，清華大學教授張強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，并在《化學》期刊發(fā)表綜述論文。在本篇綜述中，研究人員指出固態(tài)電解質(zhì)和金屬鋰電極匹配時存在問題的同時，也對今后的固態(tài)金屬鋰電極的研究和發(fā)展方向進行了展望。

匹配仍存在諸多問題

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張強團隊指出，目前的金屬鋰電極主要存在枝晶生長、高金屬鋰反應(yīng)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，也是金屬鋰電極無法商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

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(yīng)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供了可能。

石油和化學工業(yè)規(guī)劃院工程師田桂麗表示，固態(tài)電解質(zhì)作為固態(tài)電池區(qū)別于傳統(tǒng)液態(tài)電池的核心部件，是固態(tài)電池發(fā)展的技術(shù)重點。全固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項性能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、使用壽命等。

不過，張強團隊指出，當固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰匹配時，兩者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。

不僅如此，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，容量和電流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)。

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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。張強認為，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，也可能會像硫化物固態(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。

構(gòu)建高效固態(tài)金屬鋰電極

為了構(gòu)建高效的固態(tài)金屬鋰電極，張強團隊提出了復合固態(tài)電解質(zhì)、界面修飾和混合導體金屬鋰網(wǎng)絡(luò)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?；旌蠈w網(wǎng)絡(luò)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。

張強團隊表示，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(yīng)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(shè)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(yīng)用也會發(fā)生在不久的未來。

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。

田桂麗表示，固態(tài)鋰電池安全性高、能量密度高，是新能源電池極有希望的發(fā)展方向，發(fā)展前景廣闊。固態(tài)電池發(fā)展的核心在于固態(tài)電解質(zhì)等材料技術(shù)與電池技術(shù)的突破，合理的規(guī)劃布局將有利于我國抓住固態(tài)電池迅猛發(fā)展的機遇，促使傳統(tǒng)電池尤其是動力電池企業(yè)加速轉(zhuǎn)型，在新能源汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。