近日，松山湖材料實驗室/中國科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰團(tuán)隊與南方科技大學(xué)副教授王啟迪團(tuán)隊合作，研究提出了一種雙梯度金屬層的創(chuàng)新方案，有望推動超高密度鋰金屬電池走向?qū)嵱没Ｏ嚓P(guān)成果發(fā)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(fā)展路線圖，b.傳統(tǒng)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(tuán)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(jī)的興起，對輕量化、超高比能電池技術(shù)的需求日益迫切。而傳統(tǒng)的鋰離子電池基于“搖椅式”化學(xué)原理，已經(jīng)達(dá)到了能量密度瓶頸。一種突破該限制的策略是直接在負(fù)極集流體上進(jìn)行鋰的沉積和剝離，與高鎳層狀三元正極配對，有望實現(xiàn)能量密度的大幅提升，同時降低負(fù)極的材料和制造成本。然而，這種設(shè)計面臨鋰庫存快速耗盡的挑戰(zhàn)，主要是由于電化學(xué)孤立鋰的不斷形成和固體電解質(zhì)界面的持續(xù)重建。
為此，研究團(tuán)隊提出了一種雙梯度金屬層的創(chuàng)新方案，通過促進(jìn)均勻的鋰沉積和原位形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面來減少活性鋰的損失。這種雙梯度界面層的設(shè)計思路在于：一是，親鋰的外側(cè)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(jié)構(gòu)緩解了局部電流密度高和應(yīng)力分布不均勻的問題，保證了初始Li沉積均勻，保持了結(jié)構(gòu)的完整性；二是，內(nèi)部多孔金屬-碳層具有混合離子-電子導(dǎo)電性，在電鍍/剝離過程中適應(yīng)Li金屬的體積膨脹，同時實現(xiàn)快速的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)；三是，碳骨架由于其高模量為Li-Me-C納米復(fù)合層提供了機(jī)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(xiàn)出強(qiáng)烈的相互作用，促進(jìn)了陰離子衍生的穩(wěn)定固體電解質(zhì)界面層的形成。
通過SEM、FIB和micro-CT等多種先進(jìn)表征手段證實，基于雙梯度金屬層的鋰金屬電池實現(xiàn)了致密的鋰金屬沉積，孔隙率低至2.6%。同時，CT結(jié)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(tǒng)單層Ag外延層沉積的鋰金屬表現(xiàn)出更明顯的Ag團(tuán)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(dǎo)的成核驅(qū)動力，避免了金屬外延層的團(tuán)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果顯示，基于普通銅箔組裝的電池循環(huán)壽命僅為60次，而改性后的電池在160周循環(huán)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(yè)應(yīng)用指明了方向。
目前，鋰離子電池團(tuán)隊正基于這一創(chuàng)新概念，積極研發(fā)新一代超高密度電池，有望為電池行業(yè)帶來新的突破和發(fā)展。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62163-5
本文鏈接：雙梯度金屬層方案助力超高密度鋰金屬電池實用化http://m.sq15.cn/show-11-24152-0.html
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