匹配仍存在很多问题 固态电解质欲破金属锂电极之困

电子设备的智能化和电动汽车的续航不足给电池的能量密度提出了迫切要求。发展下一代高能量密度、长寿命和高安全的电池系统已迫在眉睫。

目前，电极材料中的石墨负极已经接近发挥出其理论容量，但仍无法满足高能量密度电池的需求。金属锂负极的理论能量密度是石墨负极的10倍，是非常有前景的电极材料。因此，金属锂电极的安全利用成为下一代高能量密度电池的关键。

研究发现，固态电解质为金属锂电极的安全和高效运行提供了可能，固态电解质与金属锂的“联姻”也被认为是下一条高能量密度金属锂电池的必经之路，是解决新体系电池的“卡脖子”关键技术。

近日，清华大学教授张强团队就金属锂电极和固态电解质匹配过程中存在的材料和界面化学问题进行了梳理，并在《化学》期刊发表综述论文。在本篇综述中，研究人员指出固态电解质和金属锂电极匹配时存在问题的同时，也对今后的固态金属锂电极的研究和发展方向进行了展望。

匹配仍存在诸多问题

张强团队指出，目前的金属锂电极主要存在枝晶生长、高金属锂反应活性、剧烈的体积膨胀等问题，这些问题会严重降低电池的安全性、能量密度和使用寿命，也是金属锂电极无法商业应用的关键。

相对于常规的液态电解质，固态电解质与金属锂的反应活性大大降低，而且固态电解质的高机械模量对于金属锂的枝晶生长也具有抑制作用。因此，固态电解质为金属锂电极的安全和高效运行提供了可能。

石油和化学工业规划院工程师田桂丽表示，固态电解质作为固态电池区别于传统液态电池的核心部件，是固态电池发展的技术重点。全固态锂电池的电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数，如功率密度、循环稳定性、安全性能、使用寿命等。

不过，张强团队指出，当固态电解质与金属锂匹配时，两者之间的界面并不是完全稳定，某些固态电解质在与熔融金属锂接触时，也会发生爆炸。

不仅如此，金属锂在和固态电解质接触后，由于界面接触差等问题，金属锂的枝晶生长并不能有效解决。这些问题使得目前的金属锂电极在和固态电解质匹配之后，室温循环性能很差，容量和电流远低于目前金属锂在液态电解质中的循环数据。

为了满足固态电解质的实用化要求，固态电解质一般是聚合物高分子和无机陶瓷的复合体系。张强认为，在这种复合固态电解质内部的离子传输通道如何分配，是决定电解质离子导率的基本问题。而固态电解质与金属锂接触的界面，不仅会存在物理上的孔洞，也可能会像硫化物固态电解质和氧化物正极那样存在一个空间电荷层，若存在将会对电池的性能产生重要影响。

构建高效固态金属锂电极

为了构建高效的固态金属锂电极，张强团队提出了复合固态电解质、界面修饰和混合导体金属锂网络等。复合固态电解质可提高电解质的机械性能、离子导率，改善与金属锂的接触界面。在界面修饰方面，研究人员提出了合金层界面、柔性高分子修饰层和液态电解质润湿层等。混合导体网络则是希望在金属锂电极内部，通过同时构建导电子（导电骨架）和导离子（复合固态电解质）的通道，实现金属锂的高效存储和沉积/脱出。

张强团队表示，为了获得长循环、高容量和高安全的金属锂电极，固态电解质和金属锂的界面处的扩散和反应行为、稳定界面构建、界面阻抗降低、与正极的兼容性、工作状态下电池的表征、高通量筛选、电池整体考虑等还需要进一步设计。通过化学、工程、能源材料、机械和电池管理等的协同合作，固态金属锂电池的实际应用也会发生在不久的未来。

使用固态电解质和金属锂负极的固态金属锂电池有望进一步提高电池的能量密度，提供大幅度提高3C类电子产品和电动汽车续航时间的美好愿景。

田桂丽表示，固态锂电池安全性高、能量密度高，是新能源电池极有希望的发展方向，发展前景广阔。固态电池发展的核心在于固态电解质等材料技术与电池技术的突破，合理的规划布局将有利于我国抓住固态电池迅猛发展的机遇，促使传统电池尤其是动力电池企业加速转型，在新能源汽车产业领域实现突破。