锂金属电池：为大楼打好根基，开启高能量密度新时代

为锂金属电池建设奠定坚实基础

锂金属电池是一个复杂的体系，要将其投入实际应用需要解决正极材料组分调控及结构设计、负极结构设计、电解液调控、正负极容量匹配、电池管理系统等问题。本工作主要针对复杂锂金属体系中的负极结构设计进行研究。

就像盖一栋大楼一样，研究团队能做的就是尽量把研究部分的地基打得更牢固，最终见证大楼的完工还需要各方面的努力。

相比目前商用的锂离子电池，锂金属电池作为一种新型高能量密度电池体系，拥有更高的储能潜力，有望让手机、电脑等便携式电子设备拥有更长的待机时间，电动汽车拥有更长的续驶里程。

此外，高能量锂金属电池体系在风能、太阳能等具有周期性和间歇性特性的可再生能源的有效储存和转换领域也有着巨大的应用前景。

具体来说，本工作对一种新型高能量密度电池体系——锂金属电池进行了研究和讨论。

近年来，移动电子设备、电动汽车、智能电网的快速发展对电池能量密度提出了越来越高的要求。

目前商业化锂离子电池的能量密度已接近理论极限，即便如此，仍难以满足快速增长的市场需求。

因此，研发下一代高能量密度电池体系意义重大。以金属锂为负极的锂金属电池，理论比容量高达 g-1，是目前商业化锂离子电池所采用的石墨负极（372 mAh g-1）的十几倍。因此，锂金属电池有望实现能量密度的大幅提升金属锂，近年来受到各国学者的广泛关注。

然而，循环寿命差等问题阻碍了锂金属负极的实际应用。这主要是由于锂金属本身具有很高的化学和电化学反应性，会与电解液发生持续且不可控的副反应，导致活性锂金属和电解液不断不可逆地消耗，并产生不稳定的固态电解质界面，最终导致电池损坏。

值得注意的是，当金属锂负极具有更高的表面容量时，上述问题还会被进一步放大，即高容量金属锂负极的循环寿命会进一步缩短。

较高的表面容量是实现高能量密度电池的前提，虽然金属锂负极具有比容量高的优势，但是比容量高并不一定意味着表面容量就高。

研究表明，锂金属电池的表面容量需达到4mAh cm–2以上，才能实现350 Wh kg–1以上的能量密度，满足下一代电池的实际应用需求。

因此如何在较高的表面容量下保证金属锂负极稳定的循环寿命是锂金属电池实际应用的重点和难点之一。

王大伟团队发起的这项研究的核心是探索金属锂负极在高表面容量下的衰减机制，并尝试从锂负极载体材料设计的角度提出解决方案。

在此期间，他与团队首先对金属锂负极在不同表面容量下的衰减过程进行了定量分析，发现了一些规律，并在此基础上提出了量化的描述因子，从而将高表面容量锂负极的循环寿命与锂负极载体材料的结构特征联系起来。

通过进一步的比较分析，提出了跨尺度的锂负极载体材料设计原则，以实现兼具高表面容量和长循环寿命的锂负极。

基于此原理，该团队设计制备了具有三维超支化结构的缺陷石墨烯阵列，并将其作为金属锂负极载体，实现了表面容量超过6mAh cm–2的稳定循环。

总体来说，本工作致力于解决高面容量金属锂负极循环寿命短的问题，从探索金属锂负极衰减机理的基础科学研究视角出发，通过量化的描述因子将锂负极的循环寿命与其载体材料的结构设计关联起来，从而为设计高面容量、长循环寿命的锂金属电池提供理论基础。

近日，相关论文《跨尺度石墨烯阵列的合理化设计用于长寿命高能锂金属电池》在该期刊发表。

图 | 相关论文（来源：）

王大伟教授为本文通讯作者，其团队成员方若翩博士为第一作者，后者表示预计两年内完成手头上的其他项目，之后或有回国工作的计划。