能源是推动人类文明进步的重要物质基础，是现代社会发展不可或缺的基本条件。化石能源的发现和使用，推动了人类文明的极大进步，但是作为一种不可再生的能源形式，其不可持续性和环境问题等带来的全球性危机，加快了新能源技术的研发进程和实际应用速度。“碳中和”的实现，严重依赖新能源联合能量存储技术，高效储能成为下一代能源技术的“新宠”。
锂离子电池作为一种能量存储形式，可以高效便捷地实现能量的存储和应用。从二十世纪九十年代首次商业化应用以来，锂离子电池已在手机、笔记本电脑、电动汽车等移动储能和储能电站等固定储能领域实现广泛的应用，完全革新了人们衣食住行的方式。2019年诺贝尔化学奖颁给了美国德州大学奥斯汀分校约翰·古迪纳夫、美国纽约州立大学宾汉姆分校斯坦利·威廷汉和日本旭化成株式会社吉野彰三人，以表彰他们对锂离子电池研发的卓越贡献，足以证明锂离子电池技术是人类文明发展的重要里程碑。
能量密度是锂离子电池实际应用的最关键指标之一，经过近三十年的发展，锂离子电池的能量密度已经从100 Wh/kg提高到近300 Wh/kg，直接推动了锂离子电池商业应用的巨大成功。为了进一步提高锂离子电池的能量密度，充分发挥电极材料的容量是其中的关键一步。在多种电极材料中，金属锂负极具备10倍于商业锂离子电池中石墨负极的理论比容量（3860 mAh/g vs. 372 mAh/g石墨负极）和最负的电化学电势，被公认为是下一代电极材料的重要选择。
金属锂负极并不是一个新鲜事物，20世纪70年代的石油危机直接促成了锂电池的研发，金属锂电池就是当初提出的新型电池之一。当时，供职于埃克森公司的斯坦利·威廷汉提出了一种全新的正极材料二硫化钛，可以在其分子层间储存锂离子，当其与金属锂负极匹配时，电池电压高达2 V。学术界的进步推动了金属锂电池的产业应用，金属锂电池进入第一波快速增长期，大量的一次和二次金属锂电池被开发出来。然而，金属锂负极在循环过程中存在严重的枝晶生长问题，造成其利用率低、循环寿命短且安全性差，导致这种电池在当时并未获得大规模的推广应用。近年来，随着学术和产业界对高能量密度的迫切需求，金属锂负极再次受到研究人员的关注，重获新生，以中日美三国为代表的锂电池研发强国都从国家层面对这项技术进行了大力支持，希望推动金属锂电池的实际应用（图1）。
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我们课题组从2013年开始研究锂电池的金属锂负极，是国内外最早一批再次研究金属锂负极的课题组之一，重点关注金属锂负极的骨架结构设计和电极-电解液界面设计（Small, 2014, 10, 4257；ACS Nano, 2015, 9, 6373），并受邀探讨了我们对金属锂负极电化学反应行为和机制的认识和理解（Adv. Sci., 2016, 3, 1500213; Chem. Rev., 2017, 117, 10403）。随着对金属锂负极认识的加深，金属锂负极的研究人员和论文发表数量逐年递增（图2），研究方向也逐渐多样化、深入化，涉及（1）复合锂负极骨架和集流体设计中的导电性、亲锂性的合理分布以及梯度骨架的设计；（2）电极-电解质界面层中有机/无机复合的设计策略；（3）液态电解液设计中的溶剂化和脱溶剂化问题；（4）固态电解质设计中的体相离子导率和界面阻抗问题；（5）锂金属电池的先进表征以及人工智能技术应用；（6）正负极材料的交互影响问题等。
图2
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历年（a）锂离子电池和（b）金属锂电池的发文量统计
注：在Web of Science所有数据库的检索主题为，锂离子电池：lithium ion battery；金属锂电池：(lithium metal anode OR metallic lithium anode) AND (battery OR cell)，检索日期：2022年08月。
金属锂负极复兴以来，金属锂电池取得了许多重要的研究成果。（1）金属锂负极的枝晶抑制方面，在1~50 mAh/cm2、1~20 mA/cm2的苛刻循环条件下，均可以获得无枝晶生长的金属锂负极；（2）金属锂负极的利用率在50~500圈的范围内可提高到99.95%；（3）在软包电池尺度，获得一次电池的极限能量密度高达900 Wh/kg （
图3
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近年来报道的二次金属锂软包电池的能量密度与循环寿命
注：(1) Nat. Energy, 2019, 4, 374; (2) Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3252; (3) Nat. Energy, 2020, 5, 526; (4) Joule, 2020, 4, 1445; (5) Energy Storage Mater., 2019, 18, 414; (6) Energy Storage Mater., 2020, 26, 73; (7) Nat. Energy, 2019, 4, 551; (8)
金属锂电池取得了巨大发展，其一次电池在心脏起搏器等领域的应用已经超过四十年，但二次金属锂电池暂时还没有大规模商业应用。今后金属锂电池的研究可重点关注以下几个方面。（1）软包电池尺度的研究。目前大部分的金属锂电池研究还集中在纽扣电池的水平，与实际电池的工作状态相差较远，难以发现并解决金属锂电池在实际工况下的问题。今后更多的研究工作应该从与实际工况更加接近的软包电池出发。（2）金属锂电池的失效分析。利用光学和电子显微镜、谱学和模拟等手段开展实际工况下金属锂电池的失效分析，研究枝晶生长、死锂量、电极/电解质界面演化等与电池性能的关联关系，为设计更加高效的金属锂电池提供新思路。（3）金属锂电池的安全性能。影响一个电池实际应用的关键是其安全性能，而金属锂电池的高反应活性导致其实际应用存在安全隐患。更多的研究应该关注实际工况下金属锂电池与商业锂离子电池安全性能的对比，而设计更加安全的固态电解质有望提高金属锂电池的安全性。
金属锂负极作为储能电池的“圣杯”，以金属锂为负极的金属锂电池有望显著提升电池的能量密度，从而在高端储能设备中发挥关键作用。随着能源化学、材料物理与化学以及表征技术的不断提升，人们对金属锂负极存在的一系列问题理解越来越深刻，金属锂电池在今后3~5年的实际应用能够取得新突破。
