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锂离子电池对当今的生活产生了深远的影响，然而由于插层化学本质上的限制，锂离子电池的能量密度已接近理论上限，难以满足当今日益增长的储能需求。
下一代锂电池的研究已引起广泛关注。其中，采用金属锂作为负极、插层或转化型材料作为正极的下一代锂电池具有高能量密度和巨大的商业化潜力，受到广泛关注。
近年来，随着材料和反应机理研究的深入，以及技术手段的进步，下一代锂电池取得了不断地发展。
Tips：
如何选择适配下一代锂电池的电解质？
下一代锂电池研究的思路和涉及的关键科学问题是什么？
1.
电解质的选择
电解质是电池体系中不可或缺的组成部分。电解质构建了电池内部的离子通路，与外部电子通路一同构成封闭回路。
电解质的体相离子电导率，以及电解质与电极之间离子、电子通道的连通性共同决定了电池的内部阻力。因此，提高电解质的体相离子电导率，改善电解质与电极的接触面积和接触方式，是电池设计的重点。
此外，电解质对电极的稳定性也是实际应用必须要考虑的问题。
液态电解质：主要由非水溶剂、锂盐和其他添加剂组成。其优势在于离子电导率高，电解质与多孔电极接触良好。
目前，大多数商用电池以及研发中的下一代锂电池都使用液态电解质。然而，在采用转化型电极的下一代锂电池中，电极体积由于在充放电过程中变化巨大，导致界面不稳定，严重限制了电池的使用寿命，甚至威胁到电池的使用安全。因此，需要探索适配于下一代锂电池的液态电解质。
固态电解质：固态电解质克服了液态电解质易燃、易挥发、易泄露的缺点，同时具有良好的机械性能，可以在一定程度上抑制锂枝晶以及放电中间产物的扩散。
过去三十年，固态电解质的离子电导率显著提升，未来固态电解质在实际应用中的最大障碍将不再是体相离子电导率，而是固态电解质与电极的界面阻抗。由于电池中的电极通常是多孔固体，固态电解质与电极之间是“点对点”接触。因此，固态电池的界面阻抗非常大，严重影响电池性能。
此外，固态电解质也存在固有缺点，如生产成本高、表面易发生副反应导致改变电解质原本特性等。因此，固态电解质的研究是机遇与挑战并存。
2.
下一代锂电池的研究思路
下一代锂离子电池的研究主要集中在非水相电解质锂离子、锂硫和锂空电池。
<<滑动查看（b）图、（c）图>>
☝ 非水相电解质(a)锂离子、(b)锂硫和(c)锂空电池示意图
★锂离子电池
或许能成为最早在实际应用方面
有重大突破的电池体系
优势：电池能量密度较高；插层正极比转化型正极更稳定。
劣势：金属锂负极的枝晶问题。
解决策略：原位SEI（固体电解质界面）化成、人工保护层和结构锂负极。
虽然许多应对锂枝晶的策略已在实验中得到初步验证，但为了更贴近实际应用，应在更苛刻的条件下评测，才能更好地推动实用化进展。
☝ 二次锂电池金属锂负极的挑战
★锂硫电池
下一代电池体系的理想选择
优势：能量密度高；原料成本低；安全性较高。
劣势：正极的硫及其放电产物导电性差，多硫化物的穿梭效应和锂负极的稳定性差。
解决策略：先后提出了碳硫复合正极，吸附、催化多硫化物转化，隔膜涂层等方法提升硫的利用率，改善锂硫电池循环性能。
除了新材料研究，关于复杂的多电子相转变反应机理的研究也很重要，这为锂硫电池的研究提供新的机遇。锂硫电池的发展还需要持续的研究和投入。
☝ 锂硫电池存在的问题
★锂空电池
研究尚处于起步阶段
优势：正极氧气容易从空气中分离，成本有望大大低于锂离子电池；能量密度优势明显。
劣势：锂空电池工作体系开放，需使用选择性透过膜防止其他气体、水和空气中的杂质渗透；由于正极氧气化学特性复杂和金属锂负极反应活性大，它在科学和技术上仍存在复杂的问题有待解决。
为解决上述问题，国内外学者针对基底、催化剂和电解质做出大量的探索。虽然目前已有很多应对不同问题的策略，但锂空电池仍处在起步阶段，锂空电池的循环寿命和容量还远不能达到实际应用的要求。
☝ 锂空电池的挑战
3.
结论与展望
为了解决下一代锂电池设计和应用面临的挑战，能源化学工程需要在以下方面有更深刻的认识和进一步的发展：
★离子输运机理
离子的溶剂和脱溶剂化、界面形成反应以及多相离子输运机理的相关研究还要继续深入。考虑到电场的影响以及多相界面的复杂性，多尺度的理论和实验是必要的。
★金属锂的稳定界面
理解和调控金属锂界面是实现锂负极应用的关键，需要精准地调控固液界面膜的组分和结构，进一步提高锂电池库伦效率。只有在大电流(10 mA·cm−2)、大容量(大于6 mA·h·cm−2)条件下实现高库伦效率，锂负极的实际应用才有可能。
★正极界面
全电池中正极和电解质的界面非常重要，但目前缺乏重视。界面处离子和电子的运输以及界面反应是关键问题。如何在三维多相体系中构筑稳定的离子和电子通道、如何容纳体积变化、如何承受大电流仍是挑战。
★全电池匹配性
正极、负极和电解质的良好匹配有助于全电池稳定循环。匹配正负极的时候应当仔细考虑电极的体积变化、反应放热和不同放电深度下不均匀的离子和电流分布。
★电池安全性
为提高电池安全性，初始材料设计、热稳定的SEI和隔膜，以及合适的电流密度十分重要。此外，电池管理系统也很重要。化学工程中的系统工程可以帮助电池管理系统设计。
★智能电动车中的电池应用
智能电动车的普及需要进一步优化电池和材料，以适应电动车的供电行为和使用特点。
★大规模储能中的电池应用
电池在大规模储能系统中的应用机遇与挑战并存。考虑到储能的成本和资源的丰富性，有机正极材料和钠负极是大规模储能中较有吸引力的材料。
★新体系下一代电池的普及
下一代电池的普及需要在商业模式、供应和回收链等方面进行创新。有效利用资源和回收废电池是下一代电池可持续发展的必要条件，政策的引导和市场的推动将在其中发挥重要作用。
近二十年来，锂离子、锂硫和锂空电池取得了长足的进步。
目前为止，还没有一种理想的设计能让电池在各种条件下都有理想的表现。日益先进的表征工具、先进的计算机科学、纳米技术以及精密仪器为电池的进一步发展提供新机遇。
此外，相关科学和技术的调研也需要持续投入。
当下正是发展下一代锂电池以应对全球挑战的好时机。正如前文所述，锂电池发展中的难题正逐渐被解决。通过不懈的努力，下一代锂电池必将成为未来的基石，并促进人类文明的可持续发展。
张强教授及其团队在金属锂电池领域的研究不断取得新的进展。通过原位手段研究固态电解质界面膜，并采用纳米骨架、人工SEI、表面固态电解质保护调控金属锂的沉积行为，抑制锂枝晶的生长，实现金属锂的高效安全利用。
相关研究工作已在多种国际顶级期刊发表。最近，张强教授团队围绕安全、高比能金属锂电池在Chemical Reviews （DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00115）、Advanced Science （DOI：10.1002/advs.201600445）、Advanced Materials Interfaces （DOI：10.1002/admi.201701097)上发表综述文章，系统阐述了金属锂的研究脉络和进展，受到广泛关注。
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