對于更高能量密度目標的進一步達成，以金屬鋰為負極的鋰金屬電池已成為必然選擇。這是因為鋰金屬的容量為3860mAh/g，約為石墨的10倍，由于其本身就是鋰源，正極材料選擇面寬，可以是含鋰或不含鋰的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空氣，分別組成能量密度更高的鋰硫和鋰空電池。

鋰金屬電池的研究最早可追溯到上世紀60年代，但金屬鋰負極在液態(tài)電池中存在一系列技術(shù)問題至今仍缺乏有效的解決方法，比如金屬鋰與液態(tài)電解質(zhì)界面副反應多、SEI膜分布不均勻且不穩(wěn)定導致循環(huán)壽命差，金屬鋰的不均勻沉積和溶解導致鋰枝晶和孔洞的不均勻形成，從而引發(fā)安全問題。

基于以上原因，很多研究者把解決金屬鋰負極的應用問題寄希望于固態(tài)電解質(zhì)的使用。主要思路是避免液體電解質(zhì)中持續(xù)發(fā)生的副反應，同時利用固體電解質(zhì)的力學與電學特性抑制鋰枝晶的形成。

SEI是穩(wěn)定可充電電池鋰金屬負極的關(guān)鍵，然而，由于受到循環(huán)不斷改造和電解質(zhì)消耗。SEI分布不均勻和不穩(wěn)定是技術(shù)研發(fā)的難題。

根據(jù)賓夕法尼亞州立大學的研究人員的說法，使用新開發(fā)的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)可以實現(xiàn)具有更高能量密度，性能和安全性的可充電鋰金屬電池。

在上述研究人員在NatureMaterials的一篇論文中，介紹了使用反應性聚合物復合材料SEI設(shè)計，有效地抑制了SEI形成和維護電解質(zhì)消耗。

該文章的作者王東海(音譯)在文章中表示，SEI膜通過鋰和電池中的電解質(zhì)之間的反應自然形成。但它表現(xiàn)不佳導致很多問題。這就是鋰金屬電池不能持續(xù)更長時間的原因，在這個研究項目中，我們使用聚合物復合材料來創(chuàng)造更好的SEI。

新的SEI層由聚合鋰鹽，氟化鋰納米顆粒和氧化石墨烯片組成。該結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的電解質(zhì)衍生的SEI，并且具有優(yōu)異的鈍化性能，均勻性和機械強度。

該團隊報告說，使用聚合物-無機SEI能夠在貧電解質(zhì)下，限制鋰過量和高容量條件下實現(xiàn)高效鋰沉積和4VLi|LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池的穩(wěn)定循環(huán)。同樣的方法也適用于設(shè)計鈉和鋅陽極的穩(wěn)定SEI層。

業(yè)內(nèi)分析說，實現(xiàn)穩(wěn)定的鋰界面需要大量的分子水平控制。王海東團隊設(shè)計的聚合物反應與鋰金屬表面形成爪狀鍵合。它以無源方式賦予鋰表面所需的能量，使其不與電解質(zhì)中的分子發(fā)生反應。復合材料中的納米片充當機械屏障以防止由鋰金屬形成枝晶。

通過化學和工程設(shè)計，各領(lǐng)域之間的合作使該技術(shù)能夠在原子尺度上控制鋰表面。反應性聚合物還降低了重量和制造成本，進一步增強了鋰金屬電池產(chǎn)業(yè)化的可能性。

據(jù)悉，該項目還獲得了美國能源部和國家科學基金會的車輛技術(shù)辦公室的支持。