华北理工刘山&昆明理工梁风Carbon Energy:固态金属空气电池的最新进展

随着能源危机和环境污染等问题日益严重，绿色、清洁的可再生能源技术引起了人们的普遍关注。目前，锂离子电池已被广泛应用于电动汽车和储能领域。然而，目前的锂离子电池（仅为100-200 Wh kg-¹左右）很难实现电动汽车的长续航目标。固态金属空气电池由于其高的能量密度和高安全性成为当前的研究热点。固态金属空气电池不仅可以从根本上消除由气体渗透（O₂、H₂O或CO₂）引起的界面副反应问题，同时可以避免由于电解液泄漏引起的安全问题。然而，关于固态金属空气电池的研究仍处于起步阶段，许多棘手的问题亟待解决，如金属枝晶生长及界面副反应、电极/电解质大的界面电阻以及缺乏有效的阴极催化剂等。其中，固态电解质与电极间较大的界面电阻和阴极缓慢的催化反应动力学是阻碍固态金属空气电池发展的两大核心问题。

近日，华北理工大学刘山教授和昆明理工大学梁风教授等人对固态金属空气电池的发展现状进行了概述，并分析总结了固态金属空气电池面临的关键问题与挑战，文章以“Recent advances in solid‐state metal-air batteries”为题发表在Carbon Energy期刊上，旨在为未来固态金属空气电池的发展提供重要参考。

固态金属空气电池往往采用纯金属作为阳极，其与固态电解质间的界面物理/化学兼容性是制约该类电池发展的核心问题。目前常用的策略包括表面涂层、聚合物夹层以及复合阳极等。借助表面涂层与金属阳极间的合金化反应等可以有效改善金属阳极与电解质间的润湿性。聚合物夹层具有良好的柔韧性和机械性能，可以改善电极/电解质的物理接触降低界面电阻。然而，聚合物电解质低的室温离子电导及不理想的化学稳定性限制了该方法的使用。复合阳极被证明能够有效缓解电极的体积效应，并降低金属沉积的局部电流密度，实现金属阳极的均匀稳定沉积。此外，尽管固态电解质可以有效阻止气体渗透，但如何实现在半开放体系对活性金属（锂、钠）的“有效“密封仍需进一步研究。

在半开放体系，固态电解质除了需有高的离子电导和宽的电化学窗口外，需对空气保持高的化学稳定性。目前常用的固态电解质主要分为有机聚合物电解质和无机氧化物电解质。其中有机聚合物电解质具有界面电阻低，易于薄层化和机械加工等优点，然而其较低的室温离子电导率与不理想的空气稳定性仍然有待提高。氧化物固体电解质具有机械强度高、物理化学稳定性高、耐压性强等优点，但电极与电解质间较大的界面电阻严重影响了该电池的发展。此外，如何在保障电解质快速离子传输的同时，实现电解质/催化剂界面快速的电荷传输应是固态金属空气电池开发面临的另一个难点。室温下，缓慢的固/固催化反应，使得放电产物更易堵塞多孔电极，导致电池实际能量和比容量受限，严重影响电池使用寿命和倍率性能。

固态金属空气电池由于具有高能量密度、高安全性和环境友好等优点，是一种非常具有潜力的新型高能电池。然而，金属阳极与电解质间巨大的界面电阻与空气阴极较慢的反应动力学严重影响了固态金属空气电池的发展。针对该问题，研究人员进行了不懈努力并取得了一定的研究进展，但目前仍面临着诸多不确定性。

全固态金属空气电池仍面临许多基础科学问题需深入研究。开发简单易行的界面修饰工艺（涂层或聚合物介质层）将是降低金属阳极与电解质间界面电阻的最有效途径。受限于室温下固态催化反应缓慢的反应动力学特性，类似于燃料电池，在考虑经济成本的前提下给予电池适当的加热将有利于电池循环寿命和倍率性能的提升。此外，借助于先进的原位在线检测技术及基于量子化学或分子动力学模拟等理论研究，将进一步明晰全固态体系下阴极催化反应机制，为高效催化剂的开发提供指导。可以预见的是，这些研究将加速固态金属空气电池的快速发展，并推动全固态金属空气电池在未来实现大规模产业化应用。

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