Chem. Soc. Rev. 综述：实用化的锂金属负极

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2020-04-16

锂离子电池对当今社会的各个部门都产生了巨大的影响。然而，锂离子化学的内在局限性限制了其满足开发更先进的便携式电子产品，电动汽车和电网规模的储能系统日益增长的需求的能力。因此，除了锂离子以外的电池化学正在被深入研究，同时，迫切需要在商业应用中取得突破，其中金属锂的使用是最有效的选择之一。尽管存在锂枝晶生长的安全性问题，但由于科技的进步和研究人员的努力，锂金属负极现在有望走向实用化。

有鉴于此，南开大学，郑州大学周震教授，天津大学杨永安教授总结有关锂负极的现有问题及其根本原因，然后重点介绍高性能锂负极开发方面的最新进展。最后，提出了探索实用锂金属负极方面的挑战和机遇。

本文要点

1) 总结了锂金属负极面临的挑战包括：（1）有害的锂枝晶（在电池的整个循环过程中，会在锂负极表面上形成枝晶。这些锂枝晶会刺穿隔膜到达正极，从而导致工作电池短路。更严重的是，这种短路通常伴随着电池的热失控，在某些情况下，它甚至可能导致自燃和爆炸）；（2）锂化/脱锂过程中电极材料的体积变化；（3）正极中间体的迁移（对于Li-O₂和Li-S电池，在负极和正极之间存在穿梭效应）；（4）形成不稳定的SEI（由于其高活性，金属Li几乎可以与所有电解质发生反应。当裸露的Li浸入电解液中时，氧化还原反应会立即发生，SEI层在金属Li和电解质之间会瞬间形成）。

2）总结了具有安全性的锂金属负极制造策略包括：（1）替代石墨负极（除石墨（372 mA h g^-1）以外具有更高容量的替代负极，以实现高能量密度和提高安全性）；（2）负极结构化（三维（3D）结构负极、夹层结构负极）；（3）界面修饰（在Li负极表面上构建界面层（通过原位或非原位方法）和隔板改进。无论哪种方式，人造层都应该与电解质具有（电）化学相容性，并且坚固耐用，可以抑制锂枝晶的生长）；（4）电解质改性包括：（i）新型电解质（用于锂基电池的电解质包括碳酸盐或醚基有机溶剂及其相应的锂盐，碳酸盐或醚基有机溶剂溶解Li盐并促进Li⁺的运输）；（ii）电解质添加剂（掺入极少量被称为添加剂的附加成分）；（iii）高浓度电解质（较高浓度的锂盐会抑制锂枝晶生长）；（5）固态电解质（SSE）包括：（i）无机固体电解质 （大量具有非晶或晶体结构的无机氧化物和非氧化物）；（ii）固体聚合物电解质（SPE）（使用聚合物作为固体基质，而不是液体有机溶剂来容纳锂盐）；（iii）无机/聚合物混合电解质 （非液体电解质以通过结合两种或三种电解质）。

3）总结了未来进一步推动锂金属负极发展的研究方向包括：（1）从整体上考虑锂基电池并从实际应用的角度解决问题，应整体考虑电池的质量负载，N / P比和电解质量；（2）开发可在整个电镀/剥离过程中保持表面积恒定的3D电极；（3）在不存在锂的情况下，直接在集电器上制造人造SEI层，以便更好地控制SEI的成分和结构；（4）用具有仅允许锂离子渗透的孔的2D分层结构合成新的SSE；（5）过整合SSE制造过程和锂负极构造过程，使燃料电池中的膜电极组件（MEA）概念得以适应，以制造锂金属电池；（6）设计功能更强大的组合分析工具（例如动态现场原位TEM和XPS表征），以更深入地了解目标参数；（7）应用更先进的计算方法（例如机器学习和人工智能）来研究SEI层的形成机理，镀锂/剥离过程以及预测新型SSE。

Zhang, Xin, et al, Towards practical lithium-metal anodes, Chem. Soc. Rev., 2020

DOI：10.1039/C9CS00838A

http://dx.doi.org/10.1039/C9CS00838A