雙梯度金屬層方案助力超高密度鋰金屬電池實用化

　　近日，松山湖材料實驗室/中國科學院物理研究所研究員黃學杰團隊與南方科技大學副教授王啟迪團隊合作，研究提出了一種雙梯度金屬層的創新方案，有望推動超高密度鋰金屬電池走向實用化。相關成果發表于《自然-通訊》（Nature communications）。

　　雙梯度金屬層的概念圖（a.鋰電池能量密度發展路線圖，b.傳統金屬外延層和三維集流體改性示意圖，c.本工作提出的雙梯度金屬層作用示意圖）研究團隊供圖

　　隨著低空電動飛行器（如電動垂直起降飛行器）和無人機的興起，對輕量化、超高比能電池技術的需求日益迫切。而傳統的鋰離子電池基于“搖椅式”化學原理，已經達到了能量密度瓶頸。一種突破該限制的策略是直接在負極集流體上進行鋰的沉積和剝離，與高鎳層狀三元正極配對，有望實現能量密度的大幅提升，同時降低負極的材料和制造成本。然而，這種設計面臨鋰庫存快速耗盡的挑戰，主要是由于電化學孤立鋰的不斷形成和固體電解質界面的持續重建。

　　為此，研究團隊提出了一種雙梯度金屬層的創新方案，通過促進均勻的鋰沉積和原位形成穩定的固體電解質界面來減少活性鋰的損失。這種雙梯度界面層的設計思路在于：一是，親鋰的外側金屬層提供了豐富的成核位點，降低了成核過電位。其起伏的結構緩解了局部電流密度高和應力分布不均勻的問題，保證了初始Li沉積均勻，保持了結構的完整性；二是，內部多孔金屬-碳層具有混合離子-電子導電性，在電鍍/剝離過程中適應Li金屬的體積膨脹，同時實現快速的電荷轉移反應；三是，碳骨架由于其高模量為Li-Me-C納米復合層提供了機械支撐，防止了金屬的聚集，確保Li-Me合金牢固地粘附在Cu集流器上；四是，金屬-碳簇與FSI-陰離子表現出強烈的相互作用，促進了陰離子衍生的穩定固體電解質界面層的形成。

　　通過SEM、FIB和micro-CT等多種先進表征手段證實，基于雙梯度金屬層的鋰金屬電池實現了致密的鋰金屬沉積，孔隙率低至2.6%。同時，CT結果表明，雙梯度金屬層和單金屬Ag層中的Ag含量相近，但基于傳統單層Ag外延層沉積的鋰金屬表現出更明顯的Ag團聚行為。這說明雙梯度金屬層有效分散了鋰金屬沉積和剝離過程中不均勻電流誘導的成核驅動力，避免了金屬外延層的團聚失效行為。

　　研究人員按照松山湖材料實驗室研制的軟包電池標準組裝方案，評估了基于雙梯度金屬層的Ah級軟包電池的實際可行性（實際面容量為7.25 mAh cm-2，電壓窗口3.4-4.4V）。結果顯示，基于普通銅箔組裝的電池循環壽命僅為60次，而改性后的電池在160周循環后仍能保持80%的高容量。此外，研究人員還驗證了該雙梯度金屬層的概念不依賴于單一的貴金屬Ag，在Al、Sn和Zn等較為廉價的金屬上也同樣適用，為商業應用指明了方向。

　　目前，鋰離子電池團隊正基于這一創新概念，積極研發新一代超高密度電池，有望為電池行業帶來新的突破和發展。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62163-5