鑽石舞台

隨着能源危機和環境污染等問題日益嚴重，綠色、清潔的可再生能源技術引起了人們的普遍關注。目前，鋰離子電池已被廣泛應用於電動汽車和儲能領域。然而，目前的鋰離子電池（僅為100-200 Wh kg-1左右）很難實現電動汽車的長續航目標。固態金屬空氣電池由於其高的能量密度和高安全性成為當前的研究熱點。固態金屬空氣電池不僅可以從根本上消除由氣體滲透（O2、H2O或CO2）引起的界面副反應問題，同時可以避免由於電解液泄漏引起的安全問題。然而，關於固態金屬空氣電池的研究仍處於起步階段，許多棘手的問題亟待解決，如金屬枝晶生長及界面副反應、電極/電解質大的界面電阻以及缺乏有效的陰極催化劑等。其中，固態電解質與電極間較大的界面電阻和陰極緩慢的催化反應動力學是阻礙固態金屬空氣電池發展的兩大核心問題。

近日，華北理工大學劉山教授和昆明理工大學梁風教授等人對固態金屬空氣電池的發展現狀進行了概述，並分析總結了固態金屬空氣電池面臨的關鍵問題與挑戰，文章以「Recent advances in solid‐state metal-air batteries」為題發表在Carbon Energy期刊上，旨在為未來固態金屬空氣電池的發展提供重要參考。

固態金屬空氣電池往往採用純金屬作為陽極，其與固態電解質間的界面物理/化學兼容性是制約該類電池發展的核心問題。目前常用的策略包括表面塗層、聚合物夾層以及複合陽極等。藉助表面塗層與金屬陽極間的合金化反應等可以有效改善金屬陽極與電解質間的潤濕性。聚合物夾層具有良好的柔韌性和機械性能，可以改善電極/電解質的物理接觸降低界面電阻。然而，聚合物電解質低的室溫離子電導及不理想的化學穩定性限制了該方法的使用。複合陽極被證明能夠有效緩解電極的體積效應，並降低金屬沉積的局部電流密度，實現金屬陽極的均勻穩定沉積。此外，儘管固態電解質可以有效阻止氣體滲透，但如何實現在半開放體系對活性金屬（鋰、鈉）的「有效「密封仍需進一步研究。

在半開放體系，固態電解質除了需有高的離子電導和寬的電化學窗口外，需對空氣保持高的化學穩定性。目前常用的固態電解質主要分為有機聚合物電解質和無機氧化物電解質。其中有機聚合物電解質具有界面電阻低，易於薄層化和機械加工等優點，然而其較低的室溫離子電導率與不理想的空氣穩定性仍然有待提高。氧化物固體電解質具有機械強度高、物理化學穩定性高、耐壓性強等優點，但電極與電解質間較大的界面電阻嚴重影響了該電池的發展。此外，如何在保障電解質快速離子傳輸的同時，實現電解質/催化劑界面快速的電荷傳輸應是固態金屬空氣電池開發面臨的另一個難點。室溫下，緩慢的固/固催化反應，使得放電產物更易堵塞多孔電極，導致電池實際能量和比容量受限，嚴重影響電池使用壽命和倍率性能。

固態金屬空氣電池由於具有高能量密度、高安全性和環境友好等優點，是一種非常具有潛力的新型高能電池。然而，金屬陽極與電解質間巨大的界面電阻與空氣陰極較慢的反應動力學嚴重影響了固態金屬空氣電池的發展。針對該問題，研究人員進行了不懈努力並取得了一定的研究進展，但目前仍面臨着諸多不確定性。

全固態金屬空氣電池仍面臨許多基礎科學問題需深入研究。開發簡單易行的界面修飾工藝（塗層或聚合物介質層）將是降低金屬陽極與電解質間界面電阻的最有效途徑。受限於室溫下固態催化反應緩慢的反應動力學特性，類似於燃料電池，在考慮經濟成本的前提下給予電池適當的加熱將有利於電池循環壽命和倍率性能的提升。此外，藉助於先進的原位在線檢測技術及基於量子化學或分子動力學模擬等理論研究，將進一步明晰全固態體系下陰極催化反應機制，為高效催化劑的開發提供指導。可以預見的是，這些研究將加速固態金屬空氣電池的快速發展，並推動全固態金屬空氣電池在未來實現大規模產業化應用。

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