太原理工大学王骞ACS Energy Letters综述：空气稳定锂金属负极： 从不同维度展望表面工程

第一作者：王骞

通讯作者：王骞*，杨程凯*，刘文*，周恒辉*

单位：太原理工大学，北京化工大学，北京大学

锂金属负极在下一代高能量密度电池系统的开发中备受关注。然而，由于锂金属负极的高反应性，当其暴露在空气中时，尤其是与水分发生反应时，将不可避免地受到大气腐蚀，从而导致严重的安全隐患。因此，提高锂金属负极的空气稳定性对锂金属电池的实际应用具有重要意义。

近日，来自太原理工大学的王骞副教授与北京化工大学的刘文教授合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Air-Stable Lithium Metal Anodes: A Perspective of Surface Engineering from Different Dimensions”的综述文章。该综述文章重点关注实现锂金属负极空气稳定性的现有挑战和进展。同时，总结了设计原理和基本要求，并尽可能从不同维度概述了与该领域相关的现有案例，希望以此为指导，为先进锂金属负极的制造提供全面的认识和可靠的方法。此外，还对空气稳定锂金属负极商业化的前景和未来机遇进行了批判性评估。

对于锂金属粉末而言，浇铸工艺简单且成本低廉，是制备空气稳定电极的最合适方法。然而，在高活性锂粉表面构建稳定、防水的SEI层是一项巨大的挑战。研究制备具有稳定核壳结构的锂粉，研究相互作用和合成路线是一个有价值的方向。此外，探索使用有机溶剂获得锂粉，并通过简单的配体交换反应实现稳定的表面改性，也是一种环保和可扩展的方法。遗憾的是，这一特定领域的研究有限，因此从实用角度来看，提高锂粉负极的空气稳定性变得更加重要。

对于二维锂金属箔，有必要开发一种耐久、防水的保护层，以避免锂金属的高反应性所带来的空气腐蚀，并为实际应用建立一种安全、可控、稳定的锂金属负极。需要注意的是，为确保锂金属负极的高能量密度，应尽可能减小涂层的厚度。与溶液的反应通常会产生包含各种无机或有机物的复杂层。无机保护层具有较高的离子导电性和较强的机械刚性，而有机成分则增加了薄膜的柔韧性，有助于解决无机层的脆性问题。原位形成的复合薄膜或混合薄膜已证明能够提供稳定的界面并促进离子的快速传输，从而提高各种电池系统的电化学性能。与纯净气体进行表面反应可形成高度均匀的无机层，但这种反应耗时较长，而且生成的钝化层通常在空气/水中稳定性较差。

气相沉积（如 CVD、ALD、MLD 和 PVD）可提供致密均匀的锂金属封装，厚度可精确控制到几纳米。然而，气相沉积法需要高真空和较长的沉积时间，因此成本高昂，阻碍了锂金属负极的商业化。开发可高度扩展并与现有电池制造基础设施兼容的工艺是一项巨大的挑战。传统的溶液基涂层具有加工简便、成本低廉、原材料广泛等优点。但涂层比气相沉积层厚得多，通常在几百纳米到几微米之间，这就降低了电池的能量密度。铸造或喷涂方法适合大规模生产，但需要考虑成本和环境因素。因此，考虑到锂负极的生产成本、保护效果和能量密度，未来的研究应侧重于防水超薄锂负极。

通过采用疏水性材料，可以实现能够提高锂金属负极空气稳定性的三维结构。然而，大比表面积和高孔隙率使得三维结构需要吸收更多的电解质，这不可避免地降低了锂金属阳极的能量密度。合金阳极具有结构稳定、机械强度高、电化学活性可控和成型性好等优点。然而，复合锂合金负极中另一种金属的存在通常会在质量上占主导地位，导致比容量和能量显著降低。因此，必须探索既能减少其他金属含量，又能保持良好的耐气性和耐水性的简单安全的方法。此外，锂合金阳极的高成本、复杂的制造工艺和有限的锂离子传输能力也为其大规模应用和进一步发展带来了挑战。

锂金属负极为高性能低能锂金属电池的发展带来了巨大机遇，但其高反应性为大规模操作和制备带来了巨大挑战。空气稳定锂金属负极代表了一个追求不同新知识的新方向，它将加速锂金属电池的实际应用。在本综述中，我们介绍了锂金属阳极的基本概念，讨论了其优势和现有挑战，尤其是在空气稳定性方面。同时，我们总结了基于不同尺寸的空气稳定性锂金属负极的进展，并回顾了几种典型的制造方法。我们尽可能涵盖了与该领域相关的所有现有案例，并提供了几个实例，反映了未来研究的趋势和可能的机遇。值得注意的是，锂金属阳极的表面工程，尤其是三维复合锂金属负极，仍处于早期阶段，还有很大的研究空间。

Air-Stable Lithium Metal Anodes: A Perspective of Surface Engineering from Different Dimensions

王骞 副教授简介：北京大学博士（导师：周恒辉教授），太原理工大学，材料科学与工程学院，副教授；2021年度山西省优秀青年基金获得者;2022年度中国科协青年托举人才项目入选者；山西省科技创新人才青年Mini团队核心成员;中国金属学会和中国化学会会员。在电化学传感、储能领域有较多的积累和产业化背景。以第一/共一/通讯作者在Adv. Mater.（3篇），Adv. Funct. Mater.（3篇），Energy Storage Mater.（4篇），Electrochemical Energy Review，Adv. Sci.，Energychem，Nano Energy，Chem. Eng. J., Chem. Comm.（3篇），ACS Energy. Lett.，ACS Mater. Lett.，J. Power. Sources，ACS Appl. Mater. Interfaces等杂志发表SCI论文40篇以上，申请发明专利10项，已授权6项。曾获北京大学校长奖学金、国家奖学金、优秀科研奖、校级优秀博士论文等多项奖励。多次在国内会议/高校进行学术报告，2023年度负责组织承办国际功能材料学会年会，并获该学会青年科学家奖。

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