活泼的锂也能作负极材料

随着新能源技术的发展，锂电行业成为新能源领域发展的潮流，负极材料作为锂电池的重要组成部分，其材料的选择对锂电池性能起着至关重要的作用。石墨类负极一直牢牢占据着主流锂离子电池负极材料的地位，这不仅得益于石墨负极优良的电化学性能，还得益于石墨广泛的储量，低廉的价格。

在索尼公司推出锂离子电池之前，1958年美国加州大学的一名研究生就提出了锂、钠等活泼金属做电池负极的设想，经此之后，人们就开始了以锂金属为负极的锂电池研究。这段数十年的时间，人们发现锂金属负极在工作时，虽然其表面不像石墨负极那样为锂离子提供空间，但会天然形成一层固态电解质界面膜(SEI膜，图2)，为通过的锂离子们提供一个嵌入的地方，防止沉积过程中形成的锂金属被电解液腐蚀。

但是，随着沉积的锂金属越来越多，空间有限，同时会产生极度不均匀的锂金属表面形貌，行业中称这种现象为锂枝晶生长。更加可怕的是，锂离子喜欢在有锂枝晶的地方扎堆，让局部的锂枝晶越长越大，最终撑破SEI膜。当这种情况发生的时候，一部分锂金属被暴露在充满电解液中。

但是，以石墨为负极的锂离子电池现在达到的实际容量已经越来越接近理论容量了。科学家们为了提升锂电池的能量密度和容量，苦寻求新的负极材料，不可否认，锂金属负极的理论容量是石墨负极的十倍，而且锂金属负极有最低的电化学势，也就是说，锂金属负极全方位碾压石墨负极材料的能量密度。不过对于这个锂金属负极的安全问题，确实是让科学家们反复提醒自己“解决锂金属循环和安全问题前，再不能随便提商业化锂金属电池了”。

目前，科学家已经对锂金属负极的保护做了大量的研究，提出了各种各样的解决方案。比如，优化和改性电解液，提供载体限制锂金属负极膨胀，应用人工界面膜等等。

当然，科学家们也做出了一些具体的成果，比如中国科学院宁波材料技术与工程研究所新型储能材料与器件团队通过空间限域方式抑制锂金属电极不规则的表面体积膨胀，通过一系列“房子结构”让锂金属们有序的沉积在负极表面，也让SEI膜可以持续的为它们遮风挡雨，从而实现了锂金属负极库伦效率及循环寿命的显著提升。近期，该团队还与中科院上海硅酸盐研究所研究员郭向欣、美国太平洋西北国家实验室教授张继光合作，开发了一种可移植性富LiF层作为器件化的锂金属保护膜(图3)。这种可移植的保护层，相当于为锂金属们穿上了一件防弹衣，让它们在可怕的电解液环境中依然屹立不倒，持续工作。

图3一种可移植性富LiF层作为器件化的锂金属保护膜 

不管下一代的电池是锂硫，锂空，全固态还是新型锂电池，想实现最高能量密度，负极总归要用锂金属。虽然现在待解决的问题很多，但是我们可以定一个小目标，梦想还是要有的。连锂电之父Goodenough都表示：“我认为目前的锂离子电池三年内会被不产生锂枝晶的锂金属电池取代!”