张强教授解读金属锂与固态电解质的“择偶匹配”丨CellPress对话科学家
多年来为应对能源领域的需要，电池研究一直如火如荼。目前，发展300-800 Wh/kg的新体系电池是全球性的重要目标。目前已经商业化的锂离子电池中，石墨负极已经接近发挥出其理论容量，但是仍然无法满足人类日益增长的需求。理论上，金属锂负极的比容量是石墨负极的十倍，具有更加广阔的应用前景。然而，如何安全高效的使用金属锂负极一直是制约金属锂电池商业化的最大挑战。
金属锂电极最大的应用瓶颈在于其过高的化学反应活性和难以抑制的枝晶生长。对这两个问题，固态电解质相对于常规的液态电解质都有较大优势，因而成为科学家的研究热点。随着研究的深入，固态金属锂电池虽然取得了一些进展，但也仍然面临很多问题。近日，清华大学张强教授团队应邀在Cell Press旗下化学旗舰刊Chem发表题为“Recent Advances in Energy Chemistry between Solid-State Electrolyte and Safe Lithium-Metal Anodes”的综述，详解目前固态金属锂电池的进展，机遇和挑战。
针对该论文的主要亮点等，Cell Press邀请张强教授接受了专访。
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在本篇综述中，作者首先引入固态电解质和金属锂电极匹配时存在的问题：
金属锂与电解质的反应性问题；
两者之间的界面导致的阻抗增加，枝晶生长等问题；
多种因素综合导致的循环性差和容量小等问题。
其次，作者介绍了解决这些问题时，需要关注的基本原则和规律。深入探讨了固态电解质的离子传输规律及电极-电解质界面的空间电荷分布规律等基础问题。
基于这些基本原理和方法，作者总结了近年来提出的提高固态金属锂电池安全性和寿命的高效策略：
复合固态电解质：可提高电解质的机械性能、离子导率、改善与金属锂的接触界面；
界面修饰：通过合金层界面、柔性高分子修饰层和液态电解质润湿层等方法改善界面性质；
混合导体网络：在金属锂电极内部，通过同时构建导电子（导电骨架）和导离子（复合固态电解质）的通道，实现金属锂的高效存储和沉积/脱出。
最后，作者就这些保护策略展开讨论，并对今后的固态金属锂电极的研究和发展方向进行了展望：为了获得长循环、高容量和高安全的金属锂电极，需要进一步研究固态电解质和金属锂的界面处的扩散和反应行为，构建稳定界面、同时减低阻抗，锂负极、固态电解液与正极的兼容性也必须考虑，此外，工作状态下电池的表征、活性材料的高通量筛选等问题也对固态电池的进一步发展至关重要。最后，张强教授表示，通过化学、工程、能源材料、机械和电池管理等的协同合作，固态金属锂电池的实际应用也会发生在不久的未来。
关于张强教授
张强，汉族，1984年出生，黑龙江人，清华大学教授，曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、中组部万人计划青年拔尖人才、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、2017/2018年科睿唯安全球高被引科学家。近年来，清华大学张强教授研究团队在能源材料化学领域，尤其是锂硫电池、金属锂负极和电催化开展研究工作。在金属锂负极的研究领域，其通过原位手段研究固态电解质界面膜，并采用纳米骨架、人工SEI、表面固态电解质保护调控金属锂的沉积行为，抑制锂枝晶的生长，实现金属锂的高效安全利用。这些相关研究工作发表在Chem, Joule, Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., PNAS, Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Energy Storage Mater.等期刊。该研究团队在锂硫电池及金属锂保护领域申请了一系列发明专利。
作者专访
Cell Press：首先要感谢张强教授选择在Chem上发表综述，从化学的角度跟我们分享了金属锂负极与电解质之间的“恩怨”。您在综述中直接提到固态电解质通常是由聚合物高分子和无机陶瓷构成的复合体系。那么复合电解质中， Li+究竟是如何传导的？是以界面传导为主吗？
张强教授：复合电解质中的离子传导机制十分复杂。锂离子在聚合物、无机陶瓷以及界面上的输运机制不同。所以，其宏观的复合电解质的例子导率与各组分的导离子相对强弱、各组分所占的比例、以及复合拓扑结构等都有关联。 时至今日，非常难以定量的描述复合电解质的离子导率。在已知的研究体系中（如陶瓷/高分子复合电解质，陶瓷含量超过50 wt. %），锂离子传导主要以快离子导体陶瓷体相和界面传导为主。
Cell Press：对于开发一个稳定的固态金属锂电池，其中最核心的化学问题是不是聚合物分子结构及陶瓷的化学组分和晶体结构的设计合成的问题？如果是，具备什么样骨架结构的高分子和陶瓷比较有潜力被应用于固态电解质？高分子和陶瓷之间是否存在一定的匹配规则呢？
张强教授：对于固态金属锂电池中的固态电解质而言，其中最核心的化学问题是聚合物分子结构及陶瓷的化学组分和晶体结构的设计合成问题。对于陶瓷电解质而言，高锂离子导率和高稳定性的固态电解质更具有应用前景。在将高分子和陶瓷电解质复合时，需考虑以下基本因素：（1）复合固态电解质中陶瓷相及其界面贡献了大部分的导锂离子能力，对陶瓷相在复合固态电解质中的分布进行设计（如有序定向结构），有望大幅度提高复合固态电解质的离子导率；（2）复合固态电解质中高分子主要起到提供整个电解质的柔性，而对离子导率的贡献有限，因此应在满足固态电解质柔性的基础上不断降低其含量。
Cell Press：目前固态电解质这个课题应该不只存在于金属锂电池，在其他电池体系，例如Li-S电池，钠离子电池等课题领域，都很受关注。他们的应用规律是否基本一致呢？还是必须针对特定的电池体系做特定的设计呢？
张强教授：不同体系电池中固态电解质应用的基本规律是一致的，但是也存在特殊性：（1）离子导率：不同离子的电荷量和离子半径不同，导致其在电解质中的扩散和传递规律不同，从而影响离子在固态电解质中的离子导率。（2）界面稳定性：由于不同电极具有不同的工作电位，从而对固态电解质的稳定电压窗口具有不同的要求。因此，在不同的电池中设计固态电解质的基本规律是一致的，但是并不能将不同电池中的固态电解质相互串用，需要在不同的电池体系中设计对应的固态电解质。
Cell Press：目前电池研究领域可谓如火如荼，各种新型的电池可谓层出不穷，包括Li-S, Li-O2, Na-S, Na-O2,钾电等等，但似乎都各有优缺点。张强教授课题组也在多个领域都有建树，能否请您为我们点评一二？您认为最有商业化前景的电池有哪些呢？
张强教授：相比于锂离子电池，目前的新型体系电池提供了更多的可能性，如Li-S和L-O2能量密度理论值来得更高，钠电等具有更好的成本优势。虽然他们都还存在各种各样的问题，但是作为锂离子的下一代电池，仍然具有很大的潜在应用前景。随着清洁能源的广泛推广，城市化的持续推动，人们对于能源存储的迫切需求，推动高效的储能技术是当代社会的科技前沿。目前，锂硫和钠离子电池都有示范应用技术。随着资源的不断投入，技术研发的加强，在不远的未来，能够适应储能需求的二次电池会实现广泛的商业应用。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下化学旗舰期刊Chem上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
论文标题：
Recent Advances in Energy Chemistry between Solid-State Electrolyte and Safe Lithium-Metal Anodes
论文网址：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30541-2
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.12.002
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