鋰金屬負極的案例
鋰金屬負極骨架親鋰化學及材料設計
鋰金屬負極由于擁有高理論比容量（3860 mAh g-1）和低電極電位（相對標準氫電極-3.040 V）方面的優勢，是下一代高比能電池負極材料的理想選擇之一。但是，鋰金屬負極在實際應用時面臨著鋰枝晶生長和負極體積膨脹等難題。鋰枝晶生長過程中容易生成“死鋰”，造成電極活性物質損失，不可逆地降低容量；鋰枝晶加劇電解液的分解，降低電池庫倫效率與循環壽命；更嚴重的是鋰枝晶可能刺穿電池隔膜，接觸正極，造成電池內部短路，引發安全隱患。近年來，親鋰負極骨架設計被認為是一種解決鋰金屬負極枝晶生長和體積膨脹問題的有效手段。如何理解負極骨架親鋰性的化學本質和有效設計親鋰材料是鋰金屬負極發展過程中的關鍵科學問題之一。最近，清華化工系張強課題組在金屬鋰負極親鋰性理解及材料設計方面取得了一系列原創性進展。
負極骨架表面鋰形核過程示意圖。溶劑化的鋰離子被吸附到負極骨架表面，與形核位點相互作用，發生電荷轉移，鋰離子被還原為鋰金屬。
張強研究團隊基于摻雜碳材料具有導電性好、制備容易、密度小等方面的優勢，提出將其應用于鋰金屬骨架材料的研究思路。為了理解碳材料摻雜位點親鋰性的化學本質，該研究團隊基于第一性原理計算與實驗表征相結合的方法，提出親鋰性設計準則：摻雜原子電負性、摻雜位點“局部偶極”和鋰形核過程中電荷轉移。
具體來講，雜原子與碳原子之間的電負性差異有利于形成負電中心以吸附鋰離子；“局部偶極”的形成有利于進一步增強鋰離子與形核位點之間的離子–偶極作用；電荷轉移則是降低鋰形核能壘的必要條件之一。基于此方法預測，氧摻雜在單摻雜體系中具有最好的親鋰性，并得到了鋰金屬形核實驗證實；相比于單摻雜體系，預測了O–B/P等雙摻雜體系具有更優的親鋰性。
展開 塊狀納米結構材料設計助力抗斷裂鋰金屬負極
圖4 塊體納米結構鋰金屬負極的電化學性能
a) 電流密度為1 mA·cm-2、固定容量為3 mAh·cm-2時，具有BNL負極和鋰箔負極的對稱電池的電壓分布；
b) 電流密度為3 mA·cm-2、固定容量為1 mAh·cm-2時，具有BNL負極和鋰箔負極的對稱電池的電壓分布；
c) 階躍增加的電流密度為1至10 mA·cm-2時，具有BNL負極和鋰箔負極的對稱電池的電壓分布；
d) 具有BNL和鋰箔負極的全電池中LiFePO4的倍率性能，負極和LiFePO4之間的容量比為2：1。
圖5 塊體納米結構鋰金屬負極的DFT分析
a) Li+在SiO2(001)表面上擴散的最低能量路徑；
b) Li+在Li22Si5(001)表面上擴散的最低能量路徑；
c) Li+在Li(001)表面上表面上擴散的最低能量路徑；
d) Li+在SiO2、Li22Si5和Li表面上的三個等效吸附位點中擴散的能量分布；
e) Li+在鋰箔上擴散和電鍍的示意圖；
f) Li+在BNL上擴散和電鍍的示意圖。
【小結】
綜上所述，作者通過簡單的冶金方法制備了BNL金屬負極。在BNL中，精細的Li晶粒和離子導電相加速了動力傳質過程。隨著晶粒細化和沉淀硬化，電鍍/退鍍過程中電極體積波動引起的不均勻分布應力得到有效緩解。無需引入主體材料，BNL可提供91 %的鋰金屬理論容量。Li/Li+氧化還原反應沿晶界發生，可提高BNL的倍率性能。BNL的概念為設計高能量密度鋰或其他金屬負極提供了一種新方法。隨著對氧化物/合金相比和分布更深入的探索，BNL的性能有望得到進一步提高。
展開 寧波材料所在高比能鋰金屬負極保護研究中取得系列進展
鋰金屬二次電池是下一代高能量密度儲能器件的首選體系。作為鋰金屬電池的“圣杯”負極材料，鋰金屬具有3860毫安時/克的高比容量以及最低的氧化還原電位，是實現未來鋰空氣、鋰硫等高能量密度體系的必需材料，也是實現中期目標500瓦時/千克級儲能電池的首選負極材料。然而，受制于鋰金屬沉積過程中的不規則枝晶生長以及鋰金屬與電解液的不可逆反應，鋰金屬負極在循環過程中會形成極度不穩定的電極/電解液界面，快速損耗電池容量、增加電池內阻，導致鋰金屬負極在電池中的實際應用受到諸多挑戰。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/45852.html
針對鋰金屬界面不穩定的頑疾，中國科學院寧波材料技術與工程研究所新型儲能材料與器件團隊長期以來進行了大量的界面保護結構設計，已在前期取得顯著進展。在此基礎上，團隊基于鋰金屬負極的界面循環機理開展了更深入的基礎及應用研究，并在近期取得一系列進展。
為了更好地理解鋰金屬的表面SEI膜化學及電化學反應機理，團隊結合原位電化學-原子力顯微鏡，以雙（氟磺酰）亞胺鋰（LiFSI）為研究對象，系統研究了鋰鹽濃度對SEI膜形貌及力學性能的影響，并發現通過鹽濃度調控，可獲得不同模量及厚度的SEI膜（圖1a）。此類現象在不同溶劑中皆有體現，具有普適性。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/45841.html
通過材料優選和結構設計，結合中壓等離子體技術，該團隊與新能源所研究員葉繼春團隊合作開發了一種碳紙/海綿碳雙層結構，利用鋰金屬在碳紙上的低沉積電位以及海綿碳的高機械性能和電化學惰性，獲得了一種導向性的雙層碳結構，實現了4毫安時/平方厘米的鋰金屬負極穩定循環（圖1b）。此外，該團隊還制備了一種特殊的堆疊石墨烯，具備常規石墨烯無法實現的高沉積過電勢。
展開 鋰金屬負極氧化膜抑制鋰枝晶
負極氧化膜一直被用來保護金屬的表面，例如鋁、鎂或鈦。負極氧化膜的類型取決于幾個因素，其中最重要的是所選液態電解質的性質，在負極氧化過程中，金屬表面形成的隔離型膜必須不溶于液態電解質。然而，對于鋰金屬，由于其部分可溶于液態電解質且剝離不均勻，很難獲得均勻的負極氧化膜。即使使用含鋰合金，仍然存在鋰溶解的問題。目前，無論是在液態電解質中還是在固態電解質中，在鋰金屬表面形成負極氧化膜的研究還未見報道。
作者對鋰金屬固態負極氧化的探索，為了避免鋰表面負極氧化膜在液態電解質中的溶解，嘗試將鋰金屬與硅片支撐的超薄非晶固體Al2O3層接觸，并對鋰金屬施加負極電壓。當負極電流施加到鋰金屬側時，鋰金屬中的Li+與界面處非晶態Al2O3薄膜的OH?/O2?/R?/RO?（R指烷基鏈）相遇，發生原位反應在鋰金屬表面形成保護膜。通過這種方法，我們成功地在鋰金屬表面獲得了高質量的原位負極氧化保護膜，首次在實驗上實現了金屬鋰的負極氧化，獲得了優良的原位保護膜。
展開 
華南理工大學李遠與熊訓輝合作Angew：芳香化硝酸自由基Spiro-O8有效構筑保護層提升鋰金屬負極性能
自20世紀90年代鋰離子電池商業化以來，現有的鋰離子電池電化學系統已逐漸接近瓶頸。隨著以長巡航電動汽車為代表的后鋰離子電池時代的到來，電池的高能量密度已成為最重要的性能指標之一，而傳統的鋰離子電池已難以用作高能電化學儲能裝置。基于鋰金屬重量輕（相對原子質量為6.941 g mol-1和密度為0.534 g cm-3），理論比容量高（3860 mAh g-1）和較低的化學電勢（-3.04 V，相對于標準氫電極），因而其具有較高的能量密度。特別是，基于無鋰正極（S，O2等）和鋰金屬負極組成的鋰硫電池和鋰空氣電池具有極高的理論比容量和能量密度。但目前，鋰金屬負極仍存在是鋰枝晶生長和庫倫效率低等問題制約其發展。
在李遠研究小組的前期工作的基礎上（J. Mater. Chem. A 2017, 5, 3780-3785; Sci China Chem2019, 62, 1656-1665 and Chem2021, 7, 288-332)，李遠研究小組將可商業化購買的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）進行一步 通過簡易的三溴化硼脫甲基化反應，得到具有極高自旋濃度的深黑色Spiro-O8自由基。研究者發現三苯胺酚自由基Spiro-O8具有優異的熱穩定性，以及電化學、空氣穩定性，其穩定性源于其芳香化硝酸基團的多重共振醌式結構。近期，研究者發現該自由基具有相對較強的得電子能力，進而利用Spiro-O8與鋰金屬易發生氧化還原反應這一特性，通過將Spiro-O8溶解在有機溶劑中，然后滴涂在鋰金屬表面，在鋰金屬表面成功構建了人造固態電解質膜(SEI)：Spiro-O8-Li。
展開 北化大于樂教授課題組與西安交大丁書江教授團隊《JMCA》：功能化聚合物在鋰金屬負極電解質優化和界面改性中的應用
金屬鋰擁有高的比容量和最低的還原電勢，鋰金屬負極被認為是最有前途的負極材料之一。然而鋰負極表面固態電解質界面（SEI）層的不穩定性、不可控的枝晶生長和無限的體積變化，阻礙了鋰金屬負極的實際應用。功能化聚合物在電解質工程和界面改性中發揮了重大作用，有望解決電極和電解質之間的界面問題，從而引發了人們的廣泛關注。該綜述旨在提供一個關于功能化聚合物在抑制枝晶生長，建立穩定的界面以及適應鋰負極體積變化方面的概念詮釋，關于界面化學和Li+的傳輸機制方面文章中做出了詳細描述。該文綜述了近年來功能化聚合物用于液態到固態電解質的優化，以及構建有機或雜化鋰負極界面的研究進展（圖1）。界面化學和鋰離子傳輸機制中，以聚合物為基礎的電解質和人工SEI應用的機遇與挑戰也被重點關注。
北京化工大學有機無機復合國家重點實驗室于樂教授課題組與西安交通大學丁書江教授團隊合作綜述了功能化聚合物在鋰金屬負極電解質優化和界面改性中的應用（J. Mater. Chem. A 2021, DOI: 10.1039/D1TA02297K.）。
展開 上海交大《ACS AEM》：雙保護層實現穩定的高容量鋰金屬負極！
在此，上海交通大學王久林研究員團隊通過Li-Sb合金化在金屬鋰上設計了一種合金/Li3N雙保護層來保護鋰金屬負極。下層的Li3Sb層可以調節電場分布，降低Li+成核過電位，而上層的Li3N層顯示出較高的Li+導電率和較低的能量勢壘，以實現Li+快速遷移和良好的機械強度。當鋰金屬負極與S@pPAN正極匹配時，它表現出更優異的循環性能（超過1000次循環）和倍率性能（5C下容量為1160.6mAh g?1）。相關成果以“Artificial Alloy/Li3N Double-Layer Enabling Stable High-Capacity Lithium Metal Anodes”發表在ACS Applied Energy Materials上。
展開 交錯組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負極用于鋰氧電池
【圖文導讀】
圖一：不同鋰金屬負極鋰電池的結構變化示意圖
(a) 在傳統的鋰金屬(藍色圓柱體)負極中，鋰離子(藍色顆粒)易聚集在鋰突起尖端，形成鋰枝晶、“死鋰”、SEI斷裂(橙色)和O2穿越效應；
(b) 在Li/3D-CSC負極中，Li能均勻沉積在3D-CSC骨架上，形成穩定度高的光滑界面。
圖二：Li/3D-CSC負極表征
(a) 沉積和剝離過程中Li/3D-CSC負極的充放電曲線（原始狀態、Li初步負載、Li進一步負載和剝離四個代表性狀態）；
(b) 在上述四種狀態下Li/3D-CSC負極的XRD譜圖；
(c-d) 3D-CSC原始狀態表面和橫截面的SEM圖；
(e-f)在(a)中標記為“Li初步負載”的Li/3D-CSC表面形態和高倍數的SEM圖；
(g-h) 在(a)中標記為“Li進一步負載”的Li/3D-CSC的表面和橫截面SEM圖；
(i-j) Li剝離完全后的3D-CSC表面形態和高倍數的SEM圖。
展開 復旦大學彭慧勝團隊新突破：鋰電池容量接近理論值
具有極高理論能量密度(3505 Wh/kg)的鋰氧電池被認為是未來高能量密度電池的“最終選擇”之一，然而目前在實際應用中卻面臨著諸多挑戰。其中，作為鋰氧電池重要構成部分的鋰金屬負極雖然理論比容量高達3860 mAh/g，但因存在著充放電過程中不斷形成枝晶引起短路和一系列副反應等問題而無法實現其應用價值。
近日，復旦大學彭慧勝團隊將取向碳納米管層層交錯組裝作為鋰金屬骨架成功實現了具有超高比容量(3656 mAh/g)、無枝晶的復合鋰金屬負極，并基于此負極大幅提升了鋰氧電池的循環性能，為高性能鋰金屬負極及鋰氧電池的材料設計提供了新的思路。日前國際權威學術期刊《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)發表了該成果。
圖1. (a)-(d)常見鋰箔負極和鋰/碳管骨架復合電極鋰沉積的仿真電場模擬及示意圖，具有高比表面積的3D-CSC導電骨架能有效避免電勢集中，促進均勻沉積。(e)-(g)不同幾何結構碳納米管骨架在鋰金屬沉積量增大時的應力分析模擬。
在該體系中，取向碳納米管能形成高比表面積(424.2 m2/g)的導電網絡，在鋰金屬沉積/剝離過程中能有效分散實際電流密度，緩解鋰枝晶的生成，防止枝晶刺穿隔膜引起短路等安全問題。研究人員通過層層交錯組裝三維取向碳納米管骨架，得到初始厚度僅為1 μm左右的碳納米管骨架，可直接作為集流體進行電池組裝；其厚度隨著鋰金屬沉積量的增加而增大，始終保持電極整體處于較為穩定的狀態，緩解了鋰金屬負極因充放電過程中產生巨大體積變化導致SEI膜破裂加劇電解液副反應等問題；得益于該三維骨架輕質(~0.07 mg/cm2)的特點，在引入骨架解決鋰負極枝晶問題的同時，所得到的復合電極展現出3656 mAh/g的比容量，達到了鋰金屬理論容量的94.7%。
展開 中南大學潘安強教授綜述：3D打印鋰金屬循環電池
隨著科技爆炸式發展，人們對儲能有了更高的需求，商業化的石墨負極理論容量低，已然限制了鋰離子電池體系的能量密度提升，無法滿足現代社會對高比能電池的需求。鋰金屬二次電池因其比能量高，成為下一代儲能電池的熱門選擇。然而，鋰金屬電池中幾乎所有組件都面臨著實際挑戰，主要集中在鋰金屬負極上，包括沉積不均勻，枝晶生長、體積膨脹大和SEI膜不穩定等，嚴重的損害了電池的安全性及循環壽命，限制著鋰金屬電池的商業應用。傳統鋰金屬電池制造技術在控制組件的幾何形狀和結構方面存在一些局限性，限制來電池的性能。3D打印作為一種新型制造技術，它可以無需依賴任何模板精確控制從微觀到宏觀的形狀與結構，從而提高電池的能量密度和功率密度。
近日，中南大學材料科學與工程潘安強教授圍繞“3D打印鋰金屬二次電池”主題，在國際著名期刊Energy Storage Materials上發表了題為“3D printing for rechargeable lithium metal batteries”的綜述文章，周雙博士為論文第一作者。文章結合鋰金屬二次電池所面臨困境以及3D打印鋰金屬電池的獨特優勢，總結了目前具有代表性的3D打印技術，回顧了3D打印技術在鋰金屬電池各組件的應用進展并對3D打印鋰金屬二次電池的設計原理和實際挑戰進行了總結與展望。
3D打印二次鋰電池優勢與展望
文章亮點
1. 從機理層面分析并總結了3D打印在鋰金屬電池各組分中的優勢。
2. 總結和對比了四種代表性的3D打印鋰金屬電池技術(IJP, DIW, FDM, SLA)的特點，建立了打印組分與打印技術之間相互聯系。
3. 總結3D打印技術在鋰金屬電池各組件的應用進展，并給出了3D打印組件需要實現的基本目標。
4. 匯總了3D打印鋰金屬電池目前面臨的挑戰和未來的發展方向。
展開 中山大學《ESM》：抑制鋰枝晶，一種用于快充鋰金屬電池的人工SEI膜
中山大學的吳丁財教授團隊提出了一種新型的超結構單離子導電聚合物刷（CNF-g-PSSLi）作為人工固態電解質界面（SEI）膜，以抑制鋰樹枝晶的生長。所獲得的CNF-g-PSSLi結合了納米纖維素堅固的主干納米結構、優異的界面相容性、-SO3-引導的鋰離子的快速傳輸以及-SO3-對初始形成的鋰枝晶的靜電斥力作用。因此，CNF-g-PSSLi人工SEI膜具有優異的可防止鋰枝晶生長的機械性能，以及良好的界面接觸和快速的離子傳輸通道，以CNF-g-PSSLi為人工SEI膜的對稱Li|Li電池在超高電流密度下顯示出優異的電鍍/剝離穩定性。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.002
隨著能源需求的不斷增長，基于石墨負極的傳統鋰離子電池的能量密度限制了長續航電動汽車的發展，為了進一步提高電池的能量密度，鋰金屬負極因其理論容量高、重量輕、氧化還原電位低等優點而受到廣泛關注，然而不可控的鋰枝晶生長問題阻礙了鋰金屬負極的實際應用。鋰枝晶來源于金屬鋰在重復電鍍過程中的高活性，可能從負極表面析出，造成嚴重的容量損失，甚至可能導致電池短路。
研究發現，固態電解質界面（SEI）膜對鋰金屬負極的穩定性和可循環性起著至關重要的作用，SEI膜由金屬鋰和液態電解質反應形成，并作為負極和電解液之間的界面層，然，SEI膜通常易碎且不均勻，導致鋰離子的非均勻流動和沉積。此外，材料的巨大體積膨脹會造成機械應力并撕裂SEI膜，導致更多的鋰暴露在電解液中以進行進一步反應，當鋰離子傳輸過缺陷時，SEI膜的缺陷逐漸導致鋰枝晶的生長，導致電解液的過度消耗和庫侖效率的快速衰減。
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鈉金屬和鋰金屬電池快充/快放機理對比
研究表明，作為鋰金屬負極的低成本替代材料，鈉金屬負極在高能量電池中的應用越來越受到關注。鈉金屬電池充/放電電流密度通常小于3mA/cm。隨著充放電倍率的增加而導致的容量減少具有動力學起源，當電流密度降低時可以恢復。盡管已經為提高鈉金屬電極的可逆性和循環壽命進行了廣泛的研究，但它們的倍率性能，即高電流下鈉金屬的沉積/剝離，尚未得到充分探索。
【成果簡介】鑒于此，美國耶魯大學王海梁教授和賓夕法尼亞大學Joseph S. Francisco教授（共同通訊作者）報道了鈉金屬電極，與更廣泛研究的鋰金屬電極可承受高達20 mA/cm的高電流密度不同，其不能在普通醚類電解液中快速充/放電。快速充電，即金屬沉積，會因電解液分解產生非活性Na(I)；快速放電，即金屬剝離，會因局部Na剝離導致電極與集流體電接觸不良。雖然快速充電容量損失是永久性的，但快速放電造成的容量損失可以通過在低放電電流下進行恢復。此外，本文進一步揭示了Na金屬電極差的倍率性能與Na本身物理化學性質有關。這項研究描繪了Na在快速沉積/剝離中受到限制的機制起源。相關研究成果“Mechanistic Insights into Fast Charging and Discharging of the Sodium metal Battery Anode: A Comparison with Lithium”為題發表在J. Am. Chem. Soc.上。
【核心內容】一、鋰和鈉金屬電極之間倍率性能差異本文研究了鋰和鈉金屬電極在醚類電解液中的快速充/放電行為，并揭示了這兩種金屬之間的倍率性能差異（圖1）。鋰金屬電極在高達20 mA/cm的高電流密度范圍內表現出可逆充/放電。相反，當電流>2 mA/cm時，Na金屬電極不能完全充/放電。
展開 索爾維向鋰金屬電池公司Sepion投資 實現鋰金屬電池商業化
Sepion總部位于加利福尼亞，專門為采用鋰金屬陽極和液體電解質的電池提供先進隔膜。該公司在此輪投資中共獲得1600萬美元，由Fine Structure Ventures領投，其他氣候技術投資者參投。Sepion將使用此筆資金加速實現鋰金屬電池的商業化，以用于遠程和低成本電動汽車。
（圖片來源：索爾維）
鋰金屬電池的能量密度很高，因此廣受電動汽車市場的歡迎。但由于枝晶生長，該電池很快就會失效，從而無法具有較長的生命周期。基于創新的聚合物隔膜，Sepion的技術可以阻止枝晶生長。
Sepion將當前鋰離子制造基礎和液體電解質優勢相結合，其技術可以更好地被采用。作為鋰離子電解質添加劑方面的領導者，索爾維可對Sepion核心技術實現專業知識的互補，索爾維增長計劃總裁Mike Finelli表示：“這正是我們電池平臺的使命，通過向Sepion投資，我們將加速實現更安全、更高性能和更可持續的電池。”
早前，Sepion開發出一種納米多孔聚合物膜，可提高鋰金屬負極的性能，有望使EV續航里程增加40%，成本降低20%，并提高安全性。
Sepion的當前產品是由膜和鋰金屬陽極組成的鋰電極子組件（LESA），旨在與現有鋰離子制造基礎設施集成，從而降低市場采用障礙。
上述集成可通過混合鋰金屬電池設計實現，其中由Sepion隔膜保護的固體鋰金屬陽極與傳統金屬氧化物陰極和液體電解質配對。因此只需切換至Sepion的LESA組件和單元設計，就可以將現有超級工廠（Gigafactory）升級為1.4倍大。
展開 木材助力鋰金屬電池性能突破
鋰二次電池在現代社會中發揮著極其重要的作用。備受關注的鋰金屬電池中因鋰離子沉積不均勻造成的易短路、壽命短是世界性難題。高能量密度的鋰金屬電池會由于鋰離子濃度不均勻形成“死”鋰和鋰枝晶，從而導致鋰金屬電池的使用壽命縮短。理想的固態電解質界面膜可以通過空間均勻化鋰離子通量和促進鋰離子快速遷移來實現均勻的鋰離子沉積，從而抑制枝晶的形成，使鋰金屬負極具備優異的電化學性能。但是，大多數的固態電解質界面膜材料需要昂貴的前驅體和復雜的合成工藝，從而限制了它們在電池產品中的實際應用。如今，大自然給這個難題提供了解決方案。
自然界中，樹木依靠紋孔膜可對整個樹干內礦物質離子的交換進行調控，從而保證營養物質的連續傳遞。受紋孔膜輸運調控機制和天然結構啟發，研究人員提出了天然木材納米結構用于優化鋰金屬負極離子分布和沉積行為的創新思路。中國林科院木材工業研究所呂建雄研究員團隊聯合浙江工業大學材料科學與工程學院陶新永教授團隊以及佐治亞理工學院化學與分子生物工程學院Yulin Deng教授團隊集結東北林業大學、北京林業大學以及中北大學的不同學科研究人員，首次實現了木材次生細胞壁中聚集體薄層（lamella）的精準剝離；所分離的聚集體薄層可作為固態電解質界面膜解決鋰離子濃度調控難題，實現了鋰金屬電池性能的優化，突破了制約鋰金屬電池壽命的技術瓶頸，使電池壽命增加75%以上。這項成果如果形成產業化，將產生巨大的經濟效益和社會效益。該研究以題為“Natural Wood Structure Inspires Practical Lithium-Metal Batteries”的論文發表在最新一期《ACS Energy Letters》上。
展開 下一代動力電池深度報告，三大技術路線誰能笑到最后？
隨著正極材料的持續升級，固態電解質能夠做出較好的適配， 有利于提升電池系統的能量密度
兼容金屬鋰負極，提升能量密度上限：高容量與高電壓的特性，讓金屬鋰成為繼石墨與硅負極之后的“最終負極”。 為了實現更高的能量密度目標，以金屬鋰為負極的電池體系已成為必然選擇。因為： （1）鋰金屬的克容量為 3860mAh/g，約為石墨（372mAh/g）的 10 倍，（2） 金屬鋰是自然界電化學勢最低的材料，為-3.04V。同時其本身就是鋰源，正極材料選擇面更寬，可以是含鋰或不含鋰的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空氣，分別對應能量密度更高的鋰硫和鋰空電池，理論能量密度接近當前電池的 10 倍。
▲鋰金屬是負極材料的最終形態
▲鋰金屬負極體系能量密度遠超傳統鋰電
鋰金屬負極在當前傳統液態電池體系難以實現。 鋰金屬電池的研究最早可追溯到上世紀 60 年代，并在 20 世紀 70年代已成功開發應用于一次電池。而在可充放電池領域，金屬鋰負極在液態電池中存在一系列技術問題至今仍缺乏有效的解決方法，比如金屬鋰與液態電解質界面副反應多、 SEI 膜分布不均勻且不穩定導致循環壽命差，金屬鋰的不均勻沉積和溶解導致鋰枝晶和孔洞的不均勻形成。
▲鋰金屬負極在液態電池中存在的應用難題
固態電解質在解決鋰金屬負極應用問題上被科學界寄予厚望。 研究者把解決金屬鋰負極的應用問題寄希望于固態電解質的使用，主要思路是避免液體電解質中持續發生的副反應，同時利用固體電解質的力學與電學特性抑制鋰枝晶的形成。此外，由于固態電解質將正極與負極材料隔離開，不會產生鋰枝晶刺破隔膜的短路效應。總而言之， 固態電解質對于鋰金屬負極擁有更好的兼容性，鋰金屬材料將在固態電池平臺上率先應用。
▲固態電解質在鋰金屬負極應用上的優勢
▲固態電解質對鋰金屬負極兼容性更好
減輕系統重量，能量密度進一步提升。
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