锂金属电池具有高的能量密度，被认为是下一代最有潜力的高比能电池系统。但目前锂金属电池面临着许多的问题，除了正极材料的能量密度和循环稳定性有待进一步提高外，如图1所示，锂金属负极本身的锂沉积/剥离稳定性、电解质体系适配，以及锂金属/电解质界面的稳定性和动力学方面仍然有待优化。

图1锂金属电池的挑战及优化策略

金属负极本身存在的挑战有以下方面：
（1）锂金属体积的较大的无序膨胀：不同于石墨和硅（体积膨胀率分别为10%和400%），锂金属负极一种无基体转化型负极，其体积膨胀是无限的，在锂金属负极循环过程中，锂离子在界面处不均匀的沉积使得锂金属出现疏松多孔的形貌结构，这会加剧锂金属负极的不稳定和锂枝晶生长。
（2）固态电解质界面层（SEI）不稳定：锂金属负极具有高的反应活性，与电解质接触生成不稳定SEI界面，同时由于锂金属负极在循环过程中的体积膨胀和锂枝晶生长，导致SEI界面极易破裂，导致锂金属负极出现严重的界面问题。
（3）界面副反应持续发生和死锂的形成：由于SEI界面破裂导致新的锂金属暴露出来，与电解质持续发生界面副反应，生成新的界面钝化层。界面钝化层是不具有反应活性的“死锂”成分，反复的SEI破裂和生成导致死锂堆积。
（4）界面动力学差和电极极化：界面副反应和死锂堆积会造成界面动力学变差，锂金属负极界面阻抗增大，锂离子在界面处的迁移受阻，使得锂金属负极出现较大的电极极化，这会严重影响锂金属电池的电化学性能。
（5）锂枝晶的生长与安全问题：锂金属负极极化过大，使得锂离子优先在锂金属界面上尖端放电沉积，出现严重的锂枝晶生长问题，这又会加剧界面SEI破裂，导致锂金属负极界面持续恶化。同时锂枝晶生长极易刺穿中间电解质/隔膜层，引起锂金属电池短路，造成严重的安全问题。

针对以上锂金属负极存在的挑战，研究人员进行了大量的创新设计，主要包括以下策略：
（1）三维骨架储锂设计：由于锂金属负极是无基体转化型负极，体积膨胀问题突出，可以通过设计三维导电骨架对锂进行预储存，实现锂离子均匀沉积，抑制锂金属体积膨胀和枝晶生长问题。
（2）人造SEI界面层：锂金属负极表面的原生SEI实际上是电解质与锂金属负极反应生成的一层钝化层，具有传导锂离子，抑制电子扩散的功能，实现锂金属负极界面保护。然而原生SEI成分不可控且不均匀，容易导致界面不稳定，因此通过预先在锂金属负极界面生成一层有机/无机的人造SEI对锂金属负极进行界面保护是一种十分有效的策略。
（3）电解质设计及添加剂：锂金属负极与电解质之间接触形成SEI界面，通过电解质改性修饰SEI对稳定界面是一种简单有效的策略。通过调节电解质成分、锂盐浓度和添加剂等因素，对锂金属负极界面SEI成分有显著的影响。目前高浓度锂盐电解质、成膜添加剂等策略被广泛采用进行锂金属电池界面优化。
（4）隔膜修饰：对于需要隔膜将正负极分开的电解质体系而言，可以通过有机/无机成分在隔膜上进行涂覆/嵌入等设计思路，提高隔膜的机械性能，同时调控锂离子迁移，实现锂离子均匀沉积/剥离，抑制锂枝晶的生长。
（5）新型半/固态电解质：传统的液态电解质无法有效抑制锂枝晶的生长问题，半/固态电解质具有更高的机械强度和安全性，能够有效抑制锂枝晶生长，提高锂金属电池的安全性能。但是这类电解质存在电化学性能不足，界面电阻较大等问题。因此对半/固态锂金属电池体系，进行深入的电解质设计和界面研究，实现高能量密度和高安全性的锂金属电池显得十分必要。