鋰離子電池對(duì)當(dāng)今的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,，然而由于插層化學(xué)本質(zhì)上的限制，鋰離子電池的能量密度已接近理論上限,，難以滿足當(dāng)今日益增長(zhǎng)的儲(chǔ)能需求,。

下一代鋰電池的研究已引起廣泛關(guān)注。其中,，采用金屬鋰作為負(fù)極,、插層或轉(zhuǎn)化型材料作為正極的下一代鋰電池具有高能量密度和巨大的商業(yè)化潛力,，受到廣泛關(guān)注。

近年來,，隨著材料和反應(yīng)機(jī)理研究的深入,，以及技術(shù)手段的進(jìn)步，下一代鋰電池取得了不斷地發(fā)展,。

Tips：

• 如何選擇適配下一代鋰電池的電解質(zhì),？

• 下一代鋰電池研究的思路和涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題是什么？

1.

電解質(zhì)的選擇

電解質(zhì)是電池體系中不可或缺的組成部分,。電解質(zhì)構(gòu)建了電池內(nèi)部的離子通路，與外部電子通路一同構(gòu)成封閉回路,。

電解質(zhì)的體相離子電導(dǎo)率,，以及電解質(zhì)與電極之間離子、電子通道的連通性共同決定了電池的內(nèi)部阻力,。因此,，提高電解質(zhì)的體相離子電導(dǎo)率，改善電解質(zhì)與電極的接觸面積和接觸方式,，是電池設(shè)計(jì)的重點(diǎn),。

此外，電解質(zhì)對(duì)電極的穩(wěn)定性也是實(shí)際應(yīng)用必須要考慮的問題,。

液態(tài)電解質(zhì)：主要由非水溶劑,、鋰鹽和其他添加劑組成。其優(yōu)勢(shì)在于離子電導(dǎo)率高,，電解質(zhì)與多孔電極接觸良好,。

目前，大多數(shù)商用電池以及研發(fā)中的下一代鋰電池都使用液態(tài)電解質(zhì),。然而,，在采用轉(zhuǎn)化型電極的下一代鋰電池中，電極體積由于在充放電過程中變化巨大,，導(dǎo)致界面不穩(wěn)定,，嚴(yán)重限制了電池的使用壽命，甚至威脅到電池的使用安全,。因此,，需要探索適配于下一代鋰電池的液態(tài)電解質(zhì)。

固態(tài)電解質(zhì)：固態(tài)電解質(zhì)克服了液態(tài)電解質(zhì)易燃,、易揮發(fā),、易泄露的缺點(diǎn)，同時(shí)具有良好的機(jī)械性能,，可以在一定程度上抑制鋰枝晶以及放電中間產(chǎn)物的擴(kuò)散,。

過去三十年,，固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率顯著提升，未來固態(tài)電解質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中的最大障礙將不再是體相離子電導(dǎo)率,，而是固態(tài)電解質(zhì)與電極的界面阻抗,。由于電池中的電極通常是多孔固體，固態(tài)電解質(zhì)與電極之間是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接觸,。因此,，固態(tài)電池的界面阻抗非常大，嚴(yán)重影響電池性能,。

此外,，固態(tài)電解質(zhì)也存在固有缺點(diǎn)，如生產(chǎn)成本高,、表面易發(fā)生副反應(yīng)導(dǎo)致改變電解質(zhì)原本特性等,。因此，固態(tài)電解質(zhì)的研究是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存,。

2.

下一代鋰電池的研究思路

下一代鋰離子電池的研究主要集中在非水相電解質(zhì)鋰離子,、鋰硫和鋰空電池。

★鋰離子電池

或許能成為最早在實(shí)際應(yīng)用方面

有重大突破的電池體系

優(yōu)勢(shì)：電池能量密度較高；插層正極比轉(zhuǎn)化型正極更穩(wěn)定,。

劣勢(shì)：金屬鋰負(fù)極的枝晶問題,。

解決策略：原位SEI（固體電解質(zhì)界面）化成、人工保護(hù)層和結(jié)構(gòu)鋰負(fù)極,。

雖然許多應(yīng)對(duì)鋰枝晶的策略已在實(shí)驗(yàn)中得到初步驗(yàn)證,，但為了更貼近實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)在更苛刻的條件下評(píng)測(cè),，才能更好地推動(dòng)實(shí)用化進(jìn)展,。

★鋰硫電池

下一代電池體系的理想選擇

優(yōu)勢(shì)：能量密度高；原料成本低,；安全性較高,。

劣勢(shì)：正極的硫及其放電產(chǎn)物導(dǎo)電性差，多硫化物的穿梭效應(yīng)和鋰負(fù)極的穩(wěn)定性差,。

解決策略：先后提出了碳硫復(fù)合正極,，吸附、催化多硫化物轉(zhuǎn)化,，隔膜涂層等方法提升硫的利用率,，改善鋰硫電池循環(huán)性能。

除了新材料研究,，關(guān)于復(fù)雜的多電子相轉(zhuǎn)變反應(yīng)機(jī)理的研究也很重要,，這為鋰硫電池的研究提供新的機(jī)遇,。鋰硫電池的發(fā)展還需要持續(xù)的研究和投入。

★鋰空電池

研究尚處于起步階段

優(yōu)勢(shì)：正極氧氣容易從空氣中分離,，成本有望大大低于鋰離子電池,；能量密度優(yōu)勢(shì)明顯。

劣勢(shì)：鋰空電池工作體系開放,，需使用選擇性透過膜防止其他氣體,、水和空氣中的雜質(zhì)滲透；由于正極氧氣化學(xué)特性復(fù)雜和金屬鋰負(fù)極反應(yīng)活性大,，它在科學(xué)和技術(shù)上仍存在復(fù)雜的問題有待解決,。

為解決上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)基底,、催化劑和電解質(zhì)做出大量的探索,。雖然目前已有很多應(yīng)對(duì)不同問題的策略，但鋰空電池仍處在起步階段,，鋰空電池的循環(huán)壽命和容量還遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

3.

結(jié)論與展望

為了解決下一代鋰電池設(shè)計(jì)和應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn),，能源化學(xué)工程需要在以下方面有更深刻的認(rèn)識(shí)和進(jìn)一步的發(fā)展：

★離子輸運(yùn)機(jī)理

離子的溶劑和脫溶劑化,、界面形成反應(yīng)以及多相離子輸運(yùn)機(jī)理的相關(guān)研究還要繼續(xù)深入?？紤]到電場(chǎng)的影響以及多相界面的復(fù)雜性,，多尺度的理論和實(shí)驗(yàn)是必要的。

★金屬鋰的穩(wěn)定界面

理解和調(diào)控金屬鋰界面是實(shí)現(xiàn)鋰負(fù)極應(yīng)用的關(guān)鍵,，需要精準(zhǔn)地調(diào)控固液界面膜的組分和結(jié)構(gòu),，進(jìn)一步提高鋰電池庫(kù)倫效率。只有在大電流(10 mA·cm^?2),、大容量(大于6 mA·h·cm^?2)條件下實(shí)現(xiàn)高庫(kù)倫效率,，鋰負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用才有可能。

★正極界面

全電池中正極和電解質(zhì)的界面非常重要,，但目前缺乏重視,。界面處離子和電子的運(yùn)輸以及界面反應(yīng)是關(guān)鍵問題。如何在三維多相體系中構(gòu)筑穩(wěn)定的離子和電子通道,、如何容納體積變化,、如何承受大電流仍是挑戰(zhàn)。

★全電池匹配性

正極,、負(fù)極和電解質(zhì)的良好匹配有助于全電池穩(wěn)定循環(huán),。匹配正負(fù)極的時(shí)候應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮電極的體積變化、反應(yīng)放熱和不同放電深度下不均勻的離子和電流分布,。

★電池安全性

為提高電池安全性,，初始材料設(shè)計(jì),、熱穩(wěn)定的SEI和隔膜，以及合適的電流密度十分重要,。此外,，電池管理系統(tǒng)也很重要?；瘜W(xué)工程中的系統(tǒng)工程可以幫助電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì),。

★智能電動(dòng)車中的電池應(yīng)用

智能電動(dòng)車的普及需要進(jìn)一步優(yōu)化電池和材料，以適應(yīng)電動(dòng)車的供電行為和使用特點(diǎn),。

★大規(guī)模儲(chǔ)能中的電池應(yīng)用

電池在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存,。考慮到儲(chǔ)能的成本和資源的豐富性,，有機(jī)正極材料和鈉負(fù)極是大規(guī)模儲(chǔ)能中較有吸引力的材料,。

★新體系下一代電池的普及

下一代電池的普及需要在商業(yè)模式、供應(yīng)和回收鏈等方面進(jìn)行創(chuàng)新,。有效利用資源和回收廢電池是下一代電池可持續(xù)發(fā)展的必要條件,，政策的引導(dǎo)和市場(chǎng)的推動(dòng)將在其中發(fā)揮重要作用。

近二十年來,，鋰離子,、鋰硫和鋰空電池取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

目前為止,，還沒有一種理想的設(shè)計(jì)能讓電池在各種條件下都有理想的表現(xiàn),。日益先進(jìn)的表征工具、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)科學(xué),、納米技術(shù)以及精密儀器為電池的進(jìn)一步發(fā)展提供新機(jī)遇,。

此外，相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的調(diào)研也需要持續(xù)投入,。

當(dāng)下正是發(fā)展下一代鋰電池以應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)的好時(shí)機(jī),。正如前文所述，鋰電池發(fā)展中的難題正逐漸被解決,。通過不懈的努力,，下一代鋰電池必將成為未來的基石，并促進(jìn)人類文明的可持續(xù)發(fā)展,。

張強(qiáng)教授及其團(tuán)隊(duì)在金屬鋰電池領(lǐng)域的研究不斷取得新的進(jìn)展,。通過原位手段研究固態(tài)電解質(zhì)界面膜，并采用納米骨架,、人工SEI,、表面固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)調(diào)控金屬鋰的沉積行為，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)金屬鋰的高效安全利用,。

相關(guān)研究工作已在多種國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表,。最近，張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)圍繞安全,、高比能金屬鋰電池在Chemical Reviews （DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00115）,、Advanced Science （DOI：10.1002/advs.201600445）、Advanced Materials Interfaces （DOI：10.1002/admi.201701097)上發(fā)表綜述文章,，系統(tǒng)闡述了金屬鋰的研究脈絡(luò)和進(jìn)展,，受到廣泛關(guān)注。