中国粉体网讯 众所周知，在所有的锂二次电池负极材料中，金属锂（Li）具有最高的理论比容量（3860mAh/g或2061mAh/cm3）、低的密度（0.59 g/cm3）和最负的电极电位（-3.045 V vs.标准氢电极SHE），是最有前景的锂二次电池负极材料。
金属锂负极的“前世”
据报道，金属锂为负极的锂硫电池和锂空气电池，能量密度可以达到~650 Wh/Kg和~950 Wh/Kg，均远远高于目前的锂离子电池。尽管以金属锂为负极的锂二次电池相比于传统的锂离子电池具有明显的优势，不幸的是，目前金属锂负极尚未商业化。
事实上，早在20世纪70年代，研究者就试图采用金属锂作为负极，Exxon公司的Stanley Whittingham首次提出锂二次电池的概念。在八十年代，Moli Energy公司利用MoS2正极与过量Li匹配，开发出了商业化的锂金属电池并向市场销售。
上述电池虽然可以循环数百次，但频繁的事故引起公众关注其安全问题（其中包括由锂枝晶生长引起的火灾），最终导致了所有电池的召回。在随后的几年里，NEC公司和Mitsui公司对超过五十万个锂金属电池进行了可靠性测试，但仍未能解决安全问题。
金属锂负极面临的挑战
金属锂电池未能产业化，而更可靠的锂离子电池的成功商品化，使得金属锂二次电池的研究趋于冷淡。近年来，由于人们对高比能量二次电池（固态锂电池、锂硫电池、锂空电池）的迫切需求，金属锂负极的研究再次得到众多研究者的广泛关注。
金属锂负极在实际应用于锂电池之前，还需要克服很多挑战，其中最大的挑战是安全性和稳定性问题。与其它许多金属负极类似，金属锂沉积时易形成枝晶，锂枝晶的形成和持续生长将导致电池内部短路，是锂电池热失控甚至爆炸的主要原因。因此，锂负极实用的最基本条件是要避免沉积时锂枝晶的形成和生长。
此外，由于低的库伦效率和逐渐增加的负极过电位，导致锂负极的容量在循环过程中不断衰减，因此，要实现金属锂负极商业化还需要提高锂负极的循环稳定性。
尽管研究人员探究了各种各样的锂负极改性方法，锂负极的锂枝晶生长在一定程度上得到抑制，循环稳定性能得到改善，然而锂负极的不稳定性质以及电解液的易燃易挥发性依然使得金属锂二次电池存在安全隐患。
固态电解质助力金属锂负极应用
固态电解质（Solid state electrolyte，SSE）有良好的机械稳定性和较宽的电化学稳定窗口，可以提高锂负极的稳定性能，是解决金属锂所存在问题的根本途径。
理想的固态电解质需要满足以下条件：（1）有较高的离子电导率，可以允许锂离子自由通过而阻止电子通过；（2）与电极材料之间的界面性能良好；（3）有较好的机械稳定性和电化学稳定性。
目前研究的固态电解质主要分为聚合物固态电解质和无机固态电解质，其中无机固态电解质主要包括氧化物电解质、硫化物电解质，聚合物固态电解质主要是锂盐和聚合物的共混。
锂负极与固态电解质还有待“磨合”
无机固态电解质有较高的机械稳定性和较宽的电化学稳定窗口，但是其存在离子电导率较低和界面阻抗较大的缺陷，阻碍了它的应用。聚合物固态电解质的可塑性比无机固态电解质要大，因而聚合物电解质的界面阻抗小，有更好的界面性能，但是相对地其机械性能也较差，抑制锂枝晶的效果不理想。
尽管固态电解质经过改性后，其离子电导率得到一定的提高，但其离子电导率仍然无法与液态电解质（常温下10-3S/cm）相比，同时，固态电解质存在着较大的界面阻抗，其与金属锂负极的界面性能较差，在循环过程中固态电解质与锂负极的稳定性会变差，界面阻抗会进一步增大，因此金属锂用于固态电池中仍需要研究人员的继续努力。
金属锂在固态电池中的应用研究
1）锂沉积前，利用材料自身性质和结构设计诱导锂的均匀沉积，例如改善并增大固态电解质/负极界面接触，采用亲锂涂层或位点，设计三维结构电极和固态电解质等；
2）锂沉积过程中，破坏可能导致枝晶生成的条件，抑制锂枝晶的产生。例如限制固态电解质，尤其是聚合物固态电解质中阴离子的自由移动，减少局部空间电荷效应诱导锂枝晶的现象。此外，优化固态电解质合成工艺，减少缺陷带来的锂枝晶生长也是一种重要的策略；清华大学的余启鹏等研究人员提到：金属锂内部污染物会驱使枝晶形成，因此对其纯化也是抑制枝晶生长的有效策略；
3）锂沉积后，要修复不均匀沉积形貌，抑制已生成的锂枝晶的刺穿。枝晶状的沉积形貌是锂的本征性质，因而锂枝晶的生长很难完全避免，尤其是在大电流密度循环条件下。防范锂枝晶生成的策略有提高固态电解质机械强度，或者使用自愈合，自修复式材料、结构、充放电条件设计，避免其刺穿造成严重的安全隐患。
小结
为了在实用全固态电池中使用锂金属作为负极，很多重大挑战仍需解决，例如锂与其它材料不可逆的副反应，含锂负极的安全性，体积膨胀等问题。此外，为了让实验室的研究成果能更快地向应用转型，建立更贴近实用化要求的电池设计、组装和测试规范也十分必要。扎实的基础研究，有目标导向的设计思路和全面、系统、创新的综合解决方案，将加速固态锂电池走向产业化应用。
参考来源：
曹文卓，等：金属锂在固态电池中的沉积机理、策略及表征，中国科学院物理研究所2020
余启鹏，等：全固态金属锂电池负极界面问题及解决策略，清华大学深圳国际研究生院 2020
陈昱锜：固态锂电池用金属锂负极的改性研究，电子科技大学2020
周振心：锂二次电池金属锂负极的改性研究，哈尔滨工业大学2017
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