Adv. Mater.综述：从液态电池到固态电池锂金属负极的保护

高能量密度的电化学储能器件对发展清洁高效的储能系统具有重要的意义。锂金属负极具有极高的比容量和最低的还原电位，因而锂金属电池可以提供极高的能量密度。但锂金属负极的应用受限于电池循环过程中的枝晶生长问题、不受控的界面反应和巨大的体积变化。锂枝晶的生长可能穿透电池隔膜，连接正负极造成电池短路，甚至导致电池失火爆炸等。为了解决实现锂金属电池实际应用的问题，充分发挥锂金属电池的高能量密度特性，人们必须彻底解决锂金属负极的上述问题。

近日，马里兰大学的胡良兵教授（点击查看介绍）课题组在Advanced Materials上发表了关于锂金属负极保护策略的综述，系统总结了从液体电池到固态电池中锂负极保护的方法，如图1所示。文章首先介绍了锂金属负极的枝晶生长、固态电解质界面膜（SEI）不稳定的成因，进而总结了有机液态电解液中锂负极的保护方法。针对液体电池中锂负极的改进方法有：用电解液添加剂等改进电池电解液以稳定锂-电解液界面、在锂表面形成人工SEI膜以钝化锂表面、构筑锂负极的三维载体骨架以控制锂的生长、对隔膜进行改进等。

图1. 液态电池和固态电池中锂负极的优势、缺陷和相应的锂负极保护策略。

相比于液态电解液，固态电解质有望提高锂金属电池的安全性和能量密度，并有效抑制锂金属负极的枝晶生长问题和短路隐患。文章指出，在锂金属电池中应用固态电解质需提高固态电解质的电导率和机械性能，同时还需改善固态电解质（尤其是无机陶瓷电解质）与金属锂界面浸润性的问题，或利用聚合物保护陶瓷电解质与锂金属的界面。文章重点介绍了该课题组改善锂金属负极在陶瓷电解质（石榴石型固态电解质）中的浸润性和电池性能的策略，如在电解质表面包覆Al₂O₃纳米层显著降低电解质与锂负极的界面阻抗并提升电池的循环性能。

文章最后指出，锂金属电池从液态电池到基于聚合物电解质的复合电池，最终发展成为固态电池是储能器件的发展趋势。固态的锂金属电池有望解决传统锂硫电池和锂空气电池中存在的问题，具有高能量密度和高安全性。

图2. 锂金属电池的发展趋势：从液态到固态。

这项工作得到美国能源部能源前沿研究中心的支持，文章的第一作者为马里兰大学的杨春鹏博士和付堃博士。