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【引言】

鋰金屬電池（LMBs）是最有希望的下一代高能量密度存儲設備之一，能夠滿足新興行業的嚴格要求。然而，直接應用金屬鋰可能帶來安全問題、較差的倍率和循環性能，甚至負極材料在電池內部的粉碎。其主要原因包括大極化和強電場引起的異質沉積導致的枝晶生長、金屬鋰極度活潑、循環時鋰體積無限變化等。這些缺點嚴重阻礙了LMBs的商業化。

電池領域的各研究小組深入探討了鋰金屬負極的失效機理，提出了解決上述問題的有效方法。鋰離子的沉積行為、枝晶成核和生長機理、負極-電解質界面的影響等得到了深入研究。2014年~2016年，500多篇涉及上述難題的論文得以出版，2016年以來平均每月有15篇相關文章出爐。這些研究對下一代高能量密度LMBs鋰負極的復興起了很大作用。

近日，華中科技大學的翟天佑教授和李會巧教授（共同通訊）等人在Advanced Materials上發表了題為“Reviving Lithium-metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries”的綜述文章。文章介紹了鋰離子沉積/溶解行為的最新進展，以及鋰金屬負極的失效機理。

綜述總覽圖

1 概述

高端通信終端、電動汽車（EV）、航空航天、大型儲能站等新興行業已經進入了快速發展的階段，因此高能量密度存儲已成為當務之急。鑒于壽命和安全性，現有的“搖椅式”鋰離子電池（LIBs）或鈉離子電池（NIBs）是合適的選擇。但是即使插入式LIB系統的能量密度通過調節電池的每個部件能接近其理論值，卻仍然遠低于預期能量水平。主要原因在于循環過程中的單離子嵌入反應嚴格限制了正極的能力。無論是層狀LiCoO2、富Li或富Ni的LiMO2（M = Ni、Co、Mn等）、摻雜尖晶石LiMxMn2-xO4（M = Ni、Cu、Cr、V等）還是橄欖石LiFePO4，它們都不能實現大于250mA h g-1的容量。這種情況促進了基于多離子反應的正極的發展，例如理論容量高達1672mA h g-1的S和O2。

值得一提的是，這些無鋰正極只有在與含鋰負極配對時才能投入實際應用。金屬鋰本身可以作為S和O2正極的理想負極，因為它具有最高的理論容量（3860 mA h g-1），最低的密度（0.59 g cm-3）和最負的電化學電位（-3.04 V ）。與現有的LIBs相比，金屬鋰作為負極進一步提高了鋰金屬電池（LMB）的能量密度，如圖1所示，Li-O2和Li-S電池系統分別具有高達3505 W h kg-1和2567 W h kg-1的理論能量密度。這些鋰金屬電池系統充分發揮了金屬鋰的優勢，具有滿足新興行業嚴格要求的巨大潛力。

圖1 鋰離子電池和鋰金屬電池示意圖以及失效機理

a)鋰離子電池示意圖；

b)鋰金屬電池示意圖；

c)典型電極材料在電壓和容量方面的比較，LMBs的能量密度遠大于LIBs；

d)鋰枝晶引起的安全問題；

e)連續副反應引起的較低的循環性能；

f)負極內無限的體積變化引起的負極粉碎。