image: 五种锂金属负极的性能对比雷达图：稳定化金属锂粉电极(SLMP)、稳定化锂金属电极(SLMA)、沉积锂金属电极(DLMA)、复合锂金属电极(CLMA)、无阳极锂金属电极(AFLMA) view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
社会发展对高能量密度电池的需求越来越高，锂金属电池作为一种拥有极高能量密度的电池逐渐受到了人们的关注。锂金属电极电极电位较低，同时其理论容量高达3860 mAh g-1，能量密度大，具有巨大的应用潜力。但锂金属电池中所使用的锂金属负极活泼性高、反应性强，易造成安全隐患，开发实用性锂金属电池依然存在很大挑战。复旦大学的董晓丽和夏永姚等人在《国家科学评论》上发表了题为“The pathway toward practical application of lithium-metal anodes for non-aqueous secondary batteries”的综述性文章，回顾了实用性锂金属电池的负极的失效形式与研究进展，为未来的研究提供了思路。
在锂金属电池中，锂金属的利用效率通常较低，这极大程度的限制了其使用寿命；锂金属反应性强、对空气与水较为敏感，易发生失效，存在一定的安全隐患。研究人员们对锂金属电极的两种典型失效形式（短路与容量衰减）进行了分析。其中，短路主要是由锂枝晶所造成的：诸如电极表面锂离子浓度不均匀等因素会导致锂枝晶的生长，从而刺穿隔膜，造成短路。容量的衰减则来自于锂与电解液的反应与其自身的粉化过程。锂由于其反应性较为活泼，会与电解液反应消耗一定的活性锂，这会造成一部分的电池容量损失；同时，充放电过程中锂金属的粉化（dusting）则会造成阻抗的上升，耗费电池电量。在了解到这两种主要的锂金属电极的失效机理后，研究人员可以更具针对性地对锂金属电极进行研究，从而构建更贴近实际的锂金属电极。
接下来，研究人员们进一步对这些针对性的工作进行了回顾与分析。本论文根据制备方法和相关的应用，将目前的锂金属电极研究分为了五个种类（图1）：稳定化金属锂粉电极（stabilized lithium-metal powder anode，SLMP）、稳定化锂金属电极（stabilized lithium-metal anode，SLMA）、沉积锂金属电极（deposited lithium-metal anode，DLMA）、复合锂金属电极（composite lithium-metal anode，CLMA）、无阳极锂金属电极（anode-free lithium-metal anode，AFLMA）。在回顾这五种锂金属电极技术后，分析了每一种锂金属电极的优缺点与实际应用潜力。稳定化锂金属粉末电极可以有效地补偿诸如石墨等商业负极材料的不可逆容量；而稳定化锂金属电极则可以降低锂金属的粉化过程并抑制枝晶；沉积锂金属电极有效的控制了电极表面的电流密度，但是制备过程较为繁琐复杂；复合锂金属电极则较容易形成可靠的电极结构，避免了预锂化等复杂的制备工艺；无阳极锂金属负极则直接使用铜作为阳极，大大简化了电池的制备工艺。综合来看，稳定化锂金属电极是最为有前景、实用化程度最高的一种电极；而稳定化锂金属粉末电极则是提升电池能量密度的首选。
虽然目前研究对锂金属电极进行了较为深入且详细的研究，但是当前的技术距离锂金属电极的实用化仍有一段差距。随着先进表征技术与制备工艺的发展，对锂金属电池的工作机制会研究得更加透彻，制作工艺会得到进一步的完善；在此基础上，安全且高能的锂金属电池或许有望很快推出并进入市场，引领新的能源革命。
研究详情请见原文：
The pathway toward practical application of lithium-metal anodes for nonaqueous secondary batteries
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac031
Journal
National Science Review