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一、鋰金屬電池的萌芽

1958年，美國(guó)加州大學(xué)的一名研究生提出了鋰、鈉等活潑金屬做電池負(fù)極的設(shè)想，經(jīng)此之后，人們才開(kāi)始了以鋰金屬為負(fù)極的鋰電池研究。

圖1  鋰金屬負(fù)極形成天然固態(tài)電解質(zhì)界面膜(SEI膜)

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，人們發(fā)現(xiàn)鋰金屬負(fù)極在工作時(shí)，會(huì)形成一層天然固態(tài)電解質(zhì)界面膜(SEI膜)，可以防止沉積過(guò)程中形成的鋰金屬被電解液腐蝕。  

圖2   鋰金屬被暴露在充滿電解液的世界

但是，隨著沉積的鋰金屬越來(lái)越多，同時(shí)伴隨著不均勻鋰金屬表面形貌的形成（行業(yè)中稱(chēng)這種現(xiàn)象為鋰枝晶生長(zhǎng)），SEI膜最終會(huì)被撐破。當(dāng)這種情況發(fā)生的時(shí)候，一部分鋰金屬被暴露在充滿電解液的世界，這會(huì)對(duì)對(duì)電池造成直接破壞。 

圖3  鋰金屬負(fù)極界面不穩(wěn)定的原因 

這樣一來(lái)，就會(huì)引發(fā)正負(fù)極直接親密互撩，從而造成電池內(nèi)部的短路。

于是，上世紀(jì)80年代，在第一代鋰金屬商業(yè)電池爆炸多次后，科學(xué)家們果斷放棄了鋰金屬負(fù)極而使用石墨負(fù)極，鋰金屬電池也悄然退居幕后。     

二、鋰金屬電池的機(jī)遇

雖然石墨已被證明是迄今為止用于制作陰極的最可靠物質(zhì)，但它容納的離子數(shù)量有限，以石墨為負(fù)極的鋰離子電池已接近理論容量極限，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人們的生活需求。

研究人員一直希望用鋰金屬箔來(lái)取代石墨，它的理論容量是石墨負(fù)極的十倍，而且具有最低的電化學(xué)勢(shì)，可以說(shuō)是全方位碾壓石墨負(fù)極材料的能量密度。但通常鋰金屬箔與電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，從而導(dǎo)致電解質(zhì)過(guò)熱，甚至導(dǎo)致燃燒。鋰金屬電池的安全問(wèn)題確實(shí)讓科學(xué)家們頭疼不已。所以，解決鋰金屬循環(huán)和安全問(wèn)題，是鋰金屬電池能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化最重要也是最關(guān)鍵的一步。   

目前，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)鋰金屬負(fù)極的保護(hù)做了大量的研究，比如，優(yōu)化和改性電解液，提供載體限制鋰金屬負(fù)極膨脹，應(yīng)用人工界面膜等等。      

圖4  用于鋰金屬負(fù)極保護(hù)的不同界面孔隙結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)而言之，“鋰金屬電池”技術(shù)是一項(xiàng)工程突破，它將大大改善電池性能，增強(qiáng)電池的電量持久力，大幅改觀電力存儲(chǔ)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的升級(jí)轉(zhuǎn)型，對(duì)人類(lèi)生活具有重大意義。

不管下一代的電池是鋰硫、鋰空、全固態(tài)還是新型鋰電池，想實(shí)現(xiàn)最高能量密度，總歸要用鋰金屬做負(fù)極。雖然現(xiàn)在待解決的問(wèn)題還很多，但“夢(mèng)想還是要有的，萬(wàn)一實(shí)現(xiàn)了呢？”，對(duì)吧！