電子設備的智能化和電動汽車的續航不足給電池的能量密度提出了迫切要求。發展下一代高能量密度、長壽命和高安全的電池系統已迫在眉睫。

目前，電極材料中的石墨負極已經接近發揮出其理論容量，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鍵。

研究發現，固態電解質為金屬鋰電極的安全和高效運行提供了可能，固態電解質與金屬鋰的“聯姻”也被認為是下一條高能量密度金屬鋰電池的必經之路，是解決新體系電池的“卡脖子”關鍵技術。

近日，清華大學教授張強團隊就金屬鋰電極和固態電解質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》期刊發表綜述論文。在本篇綜述中，研究人員指出固態電解質和金屬鋰電極匹配時存在問題的同時，也對今后的固態金屬鋰電極的研究和發展方向進行了展望。

匹配仍存在諸多問題

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應用的關鍵。

相對于常規的液態電解質，固態電解質與金屬鋰的反應活性大大降低，而且固態電解質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，固態電解質為金屬鋰電極的安全和高效運行提供了可能。

石油和化學工業規劃院工程師田桂麗表示，固態電解質作為固態電池區別于傳統液態電池的核心部件，是固態電池發展的技術重點。全固態鋰電池的電解質材料很大程度上決定了固態鋰電池的各項性能參數，如功率密度、循環穩定性、安全性能、使用壽命等。

不過，張強團隊指出，當固態電解質與金屬鋰匹配時，兩者之間的界面并不是完全穩定，某些固態電解質在與熔融金屬鋰接觸時，也會發生爆炸。

不僅如此，金屬鋰在和固態電解質接觸后，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電解質匹配之后，室溫循環性能很差，容量和電流遠低于目前金屬鋰在液態電解質中的循環數據。

為了滿足固態電解質的實用化要求，固態電解質一般是聚合物高分子和無機陶瓷的復合體系。張強認為，在這種復合固態電解質內部的離子傳輸通道如何分配，是決定電解質離子導率的基本問題。而固態電解質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電解質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生重要影響。

構建高效固態金屬鋰電極

為了構建高效的固態金屬鋰電極，張強團隊提出了復合固態電解質、界面修飾和混合導體金屬鋰網絡等。復合固態電解質可提高電解質的機械性能、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電解質潤濕層等。混合導體網絡則是希望在金屬鋰電極內部，通過同時構建導電子（導電骨架）和導離子（復合固態電解質）的通道，實現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、高容量和高安全的金屬鋰電極，固態電解質和金屬鋰的界面處的擴散和反應行為、穩定界面構建、界面阻抗降低、與正極的兼容性、工作狀態下電池的表征、高通量篩選、電池整體考慮等還需要進一步設計。通過化學、工程、能源材料、機械和電池管理等的協同合作，固態金屬鋰電池的實際應用也會發生在不久的未來。

使用固態電解質和金屬鋰負極的固態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類電子產品和電動汽車續航時間的美好愿景。

田桂麗表示，固態鋰電池安全性高、能量密度高，是新能源電池極有希望的發展方向，發展前景廣闊。固態電池發展的核心在于固態電解質等材料技術與電池技術的突破，合理的規劃布局將有利于我國抓住固態電池迅猛發展的機遇，促使傳統電池尤其是動力電池企業加速轉型，在新能源汽車產業領域實現突破。