金屬鋰因其具有超高的理論比容量和最低的電極電勢，被認(rèn)為是構(gòu)建高比能電池電極的“圣杯”材料。與現(xiàn)有商業(yè)化的鋰離子電池相比，基于金屬鋰為負(fù)極的鋰金屬電池（LMBs）極大提高了電池的理論能量密度，展現(xiàn)出滿足新興行業(yè)對于高能量密度需求的巨大潛力。
近日，清華大學(xué)教授張強(qiáng)、北京林業(yè)大學(xué)教授袁同琦、北京理工大學(xué)研究員黃佳琦聯(lián)合倫敦帝國理工學(xué)院教授瑪麗亞·瑪格達(dá)萊娜·蒂蒂里奇，在Materials Today Nano上發(fā)表綜述文章，在加深對鋰負(fù)極化學(xué)理解的基礎(chǔ)上，介紹了基于生物質(zhì)納米材料的鋰金屬負(fù)極保護(hù)策略的最新研究成果，并對未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
研究人員表示，金屬鋰負(fù)極存在的鋰枝晶生長不可控、界面SEI膜不穩(wěn)定等問題限制了鋰金屬電池的商業(yè)化進(jìn)程。天然生物材料具有低成本、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)豐富等優(yōu)勢，且其衍生的納米材料能很好地繼承天然材料的優(yōu)異特性，在穩(wěn)定界面SEI及調(diào)控負(fù)極鋰枝晶生長方面具有很大的應(yīng)用潛力。
文章指出，人工保護(hù)層天然生物質(zhì)高聚物膜具有較高的機(jī)械強(qiáng)度以及豐富的官能團(tuán)等物理化學(xué)特性，在構(gòu)筑人工保護(hù)層方面具有優(yōu)勢。一方面可以通過天然聚合物高機(jī)械模量來抑制枝晶的生長；另一方面，也可以利用聚合物骨架中豐富的極性官能團(tuán)來調(diào)控鋰離子的均勻沉積。
隔膜生物大分子則具有豐富的孔結(jié)構(gòu)和表面極性官能團(tuán)，被廣泛用來對傳統(tǒng)隔膜修飾改性或設(shè)計生物質(zhì)基新型隔膜，以提高隔膜的潤濕性和離子通量，實(shí)現(xiàn)鋰離子的高效電化學(xué)沉積。
而聚合物電解質(zhì)天然生物聚合物具有豐富的化學(xué)基團(tuán)、較高的機(jī)械彈性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以通過物理化學(xué)交聯(lián)或作為聚合物電解質(zhì)載體，以提高聚合物電解質(zhì)的機(jī)械性能和離子電導(dǎo)率，從而獲得高效穩(wěn)定的鋰負(fù)極界面。
功能骨架天然生物材料衍生的納米碳材料則具有豐富多孔結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性能和結(jié)構(gòu)多樣化等優(yōu)勢，在構(gòu)建功能性骨架或鋰金屬負(fù)極宿主等方面具有重要的應(yīng)用前景。
該綜述在可持續(xù)的天然生物質(zhì)材料和鋰金屬負(fù)極保護(hù)之間搭建了一座橋梁，推進(jìn)生物質(zhì)納米材料在高能量密度LMBs和其他先進(jìn)儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用。
據(jù)了解，張強(qiáng)團(tuán)隊在能源材料化學(xué)領(lǐng)域，尤其是金屬鋰負(fù)極、鋰硫電池和電催化方向，已經(jīng)開展了眾多引領(lǐng)性的研究工作。在金屬鋰負(fù)極領(lǐng)域，該團(tuán)隊利用原位方法研究固液界面膜，并通過納米骨架、人工SEI、表面固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)膜等手段調(diào)控金屬鋰的沉積行為，抑制鋰枝晶的生長，實(shí)現(xiàn)金屬鋰的高效安全利用。相關(guān)研究工作已發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》《美國化學(xué)會志》《先進(jìn)功能材料》《美國科學(xué)院院報》等多個期刊。