【引言】
鋰離子電池 (LIBs) 因其具有高比能量（目前~250 Wh kg-1）和功率（目前~500 W kg-1），從金層材在便攜式電子設(shè)備中得到了廣泛的屬腐蝕科應(yīng)用。然而，學(xué)角商用LIBs的度解讀鋰鈍化性能正在接近其理論極限，而對高性能，金屬低成本儲能技術(shù)的負(fù)極需求也在不斷增長，從而重新激發(fā)了對鋰離子高能電池系統(tǒng)替代系統(tǒng)的料牛研究。研究表明，從金層材具有更高能量密度的屬腐蝕科鋰金屬電池（LMBs）有望替代LIBs。其中，學(xué)角在鋰金屬表面與電解液接觸時自發(fā)形成的度解讀鋰鈍化鈍化膜的組成和結(jié)構(gòu)，對于鋰金屬可逆沉積/剝離和均勻性起著至關(guān)重要的金屬作用。盡管鋰在液態(tài)電解質(zhì)中具有極強(qiáng)的負(fù)極反應(yīng)性，但由于表面膜的料牛快速生長，它仍保持相對穩(wěn)定。從金層材理想的鈍化膜必須滿足以下先決條件：（1）保護(hù)鋰金屬表面不與電解液接觸；（2）允許快速的鋰離子（Li+）穿過薄膜；（3）抑制Li+與電解質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移；（4）防止鋰枝晶的成核和生長；（5）適應(yīng)鋰沉積/剝離過程中鋰表面形貌的變化。創(chuàng)造這樣一種理想化的鈍化膜，需要深入了解鈍化膜的成分，結(jié)構(gòu)，形貌和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
近日，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室Robert Kostecki教授，德國烏爾姆亥姆霍茲研究所Stefano?Passerini教授和Arnulf?Latz教授（共同通訊作者）基于金屬腐蝕和鈍化現(xiàn)象的一般性概念，從不同的角度深入理解鋰電極-液態(tài)電解質(zhì)界面上發(fā)生的反應(yīng)，并重新總結(jié)和歸納了基本的電化學(xué)理論和模型。值得注意的是，迄今為止鋰金屬負(fù)極尚未從腐蝕科學(xué)的角度進(jìn)行徹底研究。通過討論Li+在瞬時形成的鈍化層（固體電解質(zhì)界面-SEI）上的轉(zhuǎn)移，在腐蝕科學(xué)和電池電化學(xué)之間架起了一座橋梁。將這些考慮與以材料科學(xué)為導(dǎo)向的方法相結(jié)合，通過原位和非原位實(shí)現(xiàn)精心設(shè)計的鈍化層或人工保護(hù)層，從而達(dá)到抑制電解質(zhì)連續(xù)分解和鋰消耗。最后，作者提出了理想鈍化層的設(shè)計構(gòu)想，并確定了可能導(dǎo)致鋰金屬電池在商業(yè)化進(jìn)程中所遇到的挑戰(zhàn)。相關(guān)研究成果以“The passivity of lithium electrodes in liquid electrolytes for secondary batteries”為題發(fā)表在Nature Reviews Materials上。何欣和Dominic Bresser為本文第共同一作者，何欣現(xiàn)就職于四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，任特聘研究員。
【圖文導(dǎo)讀】
圖一、金屬電極的能量密度及相應(yīng)的腐蝕反應(yīng)
（a）各種電池技術(shù)的比能量密度和電勢圖；
（b-e）簡化的不同金屬-電解質(zhì)界面和腐蝕反應(yīng)的示意圖。
圖二、鋰金屬電極的腐蝕反應(yīng)
圖三、非水系電解質(zhì)中的鋰腐蝕
圖四、鋰金屬-液態(tài)電解質(zhì)界面和界面相的參數(shù)
（a）鋰金屬的生產(chǎn)，鋰箔的制備和隨后在可控氣體氣氛下的鈍化；
（b）通常用作電解質(zhì)的有機(jī)溶劑包括DME，DOL，EC，DEC，PC，用于構(gòu)建原位SEI保護(hù)層；
（c）基于無機(jī)組分（金屬氯化物），聚合物（聚丙烯酸）或混合體系（Cu3N納米顆粒與苯乙烯-丁二烯橡膠）的人工保護(hù)層。
圖五、原位和非原位保護(hù)層
（a，b）在傳統(tǒng)電解液中形成苔蘚狀枝晶狀，改性后沉積形貌得到改善，形成的鈍化層更加均勻；
（c）基于poly(vinylsulfonyl fluoride-ran-2-vinyl-1,3-dioxolane)和氧化石墨烯納米片的混合聚合物-無機(jī)人工保護(hù)層；
（d）通過在普通集流體上沉積互聯(lián)的空心碳球，作為人工保護(hù)層；
（e）碳化木材作為誘導(dǎo)鋰均勻沉積的骨架。
圖六、影響界面相演化的因素
（a）Li+依次通過電解質(zhì)、固體界面相和鋰金屬負(fù)極（Lislab），其中ΔEdes是Li+去溶劑的能壘；ΔEdiff是Li+從固體電解質(zhì)界面相轉(zhuǎn)移到鋰金屬負(fù)極的能壘；
（b-e）不同電解液組成和改性集流體的首次循環(huán)效率（CE），過電位和第25次循環(huán)時的CE；
（f-i）不同溫度，鋰鹽濃度，電流密度和沉積鋰容量對首次循環(huán)效率（CE），過電位和第25次循環(huán)時的CE的影響。
圖七、鋰金屬電池商業(yè)化的相關(guān)參數(shù)
（a）鋰金屬電池依據(jù)不同鋰含量而不同的成本估計；
（b）電池水平上的初始能量密度；
（c）從組裝到電池失效，累計腐蝕的鋰金屬含量的百分比；
（d）不同的循環(huán)圈數(shù)下，鋰金屬電池能量密度的演化。
【小結(jié)】
綜上所述，先進(jìn)的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，電解質(zhì)配方的開發(fā)以及對發(fā)生在兩者之間的界面處的反應(yīng)有更好的理解，對鋰金屬電池的商業(yè)化進(jìn)程至關(guān)重要。特別是在連續(xù)鋰金屬沉積/剝離時，鋰金屬與液態(tài)電解質(zhì)接觸時發(fā)生的自發(fā)腐蝕鈍化層仍然存在問題，其穩(wěn)定性的高低將決定電池的庫倫效率和電化學(xué)活性鋰損失的多少。更進(jìn)一步來說，深入了解潛在機(jī)制至關(guān)重要，從而實(shí)現(xiàn)安全，低成本和高性能的鋰金屬電池。
文獻(xiàn)鏈接：“The passivity of lithium electrodes in liquid electrolytes for secondary batteries”(Nature Reviews Materials，2021，10.1038/s41578-021-00345-5)
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