隨著5G、可穿戴電子、電動車和大規(guī)模儲能的發(fā)展，對鋰電池的性能提出更高的要求，需要發(fā)展新一代鋰電池。鋰電池（屬于堿金屬電池，AMB）因其比容量高、氧化還原電位低而成為了最有前景的下一代高比能電池體系。然而，枝晶生長和嚴(yán)重的安全隱患限制了鋰電池的產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過多年的發(fā)展，在堿金屬負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化的過程中，其在安全性和循環(huán)壽命方面仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。

堿金屬負(fù)極三部曲：從實驗室到產(chǎn)業(yè)化

 

      近期，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組與華中科技大學(xué)黃云輝團(tuán)隊合作在國際頂級能源雜志Joule（Cell子刊）期刊上發(fā)表題為“堿金屬負(fù)極：從實驗室到產(chǎn)業(yè)”的綜述和展望論文（Alkali-Metal Anodes: From Lab to Market,Joule (2019) 3, 2334）。文章將堿金屬負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化過程分為三個階段：第一個階段是堿金屬負(fù)極的基礎(chǔ)研究；第二階段是堿金屬負(fù)極在特定電池體系中的應(yīng)用，如堿金屬-硫電池、堿金屬-氧氣電池和固態(tài)電解質(zhì)；第三階段是如何實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，討論了面向產(chǎn)業(yè)化安全、成本和實際能量密度方面的要求。文章在概括堿金屬研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，試圖探索堿金屬負(fù)極在特定電池體系中的應(yīng)用，并重點討論了在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化之間的內(nèi)在聯(lián)系，以期為堿金屬負(fù)極的未來發(fā)展提供參考。

固態(tài)電池界面工程的典型策略和理論解釋

 

      在下一代電池體系中的應(yīng)用中，堿金屬負(fù)極被認(rèn)為是下一代電池理想的電極材料，因為他們有一個完美匹配高比容量的硫和氧氣正極。此外，全固態(tài)電池良好的安全性能也為堿金屬負(fù)極的應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇，它包括鋰、鈉和鉀金屬負(fù)極及硫為正極的固態(tài)電池。

堿金屬硫電池中的負(fù)極保護(hù)典型策略

 

      產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中涉及的主要問題包括電池性能的真實評估、電池安全性的考慮、電池成本的控制以及電池的可加工性。雖然目前堿金屬負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程還處于初級階段，其存在的安全性差、庫倫效率低等問題還有待解決。文章相信在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力下新一代電池最終會實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

新一代不同電池配置的特點

   

      向經(jīng)緯博士和楊盧奕博士為本文共同第一作者，黃云輝、袁利霞和潘鋒為共同通信作者。該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省重點實驗室、深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。