关俊，李念武，于乐

北京化工大学，有机无机复合国家重点实验室，北京 100029

1 引言

随着电动汽车产业和移动电子设备的快速发展，人们对储能器件的能量密度不断提出新的期望和要求1-4。然而，目前广泛应用的高能量密度储能器件—锂离子电池已经达到300 Wh·kg−1，接近其理论的极限，难以满足日益增长的高能量密度需求5。因此，开发高比容量的材料体系，发展高能量密度的新体系电池刻不容缓6,7。金属锂因具有高的理论比容量(3860 mAh·g−1)、低的质量密度(0.59 g·cm−3)以及最低的电化学反应电位(相对标准氢电位−3.04 V)而逐渐受到研究人员的青睐8-15。当金属锂与插层类的过渡金属氧化物材料(如钴酸锂、三元材料)匹配时，其能量密度可达440 Wh·kg−1；当用于锂硫(Li-S)和锂氧(Li-O2)电池体系时，其理论能量密度可进一步增强到2600和3500 Wh·kg−1。因此，金属锂电池被认为是可代替锂离子电池的下一代高能量密度电池16,17。

然而，金属锂作为电池负极材料的安全使用仍面临着巨大挑战。在电池首次充放电过程中，性质活泼的金属锂会与电解质反应并在金属锂负极的表面生成固态电解质界面(SEI)层。SEI层的形成是一把双刃剑：一方面，会消耗金属锂负极和电解质，导致电池库伦效率降低；另一方面，SEI层防止了金属锂和电解质的直接接触，一定程度上保证了金属锂在有机溶剂中的稳定性18。电极材料在循环过程中通常会发生体积膨胀，如石墨负极的体积膨胀为10%19。然而，金属锂负极在循环过程中的体积膨胀是无限的，自发生成的SEI层的机械强度往往较差而不能适应这种持续、巨大的界面变化，导致SEI层自身发生断裂，暴露的新鲜金属锂会与电解质继续发生反应而生成新的SEI层。……