圖1. 無(wú)負(fù)極鋰金屬電池設(shè)計(jì)策略示意圖
圖2. 2Ah無(wú)負(fù)極鋰金屬電池的電化學(xué)性能
圖3. 30Ah無(wú)負(fù)極鋰金屬電池的電化學(xué)性能
如何突破無(wú)負(fù)極鋰金屬電池“活性鋰不足-循環(huán)性能差”的核心瓶頸，是該領(lǐng)域走向?qū)嵱没年P(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。近日，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄒如強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江金羽新能源科技有限公司，提出了負(fù)極原位補(bǔ)鋰與正極近表面氟化重建協(xié)同策略，成功實(shí)現(xiàn)高能量密度無(wú)負(fù)極鋰金屬電池的穩(wěn)定循環(huán)。相關(guān)研究成果以“High-energy anode-free Li metal batteries with in-built surface-fluorinated Li-rich Mn-based cathodes | Science Advances”為題，于2026年5月15日發(fā)表于《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）。
無(wú)負(fù)極鋰金屬電池因其省去初始負(fù)極活性材料，直接利用集流體作為鋰沉積基底，在顯著提升能量密度、簡(jiǎn)化制造工序的同時(shí)，也具備本征更優(yōu)的安全特性，被廣泛視為下一代高比能儲(chǔ)能體系的重要發(fā)展方向。然而，由于缺乏過(guò)量活性鋰，循環(huán)中易產(chǎn)生“死鋰”和副反應(yīng)損耗，導(dǎo)致其庫(kù)侖效率衰減、循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于實(shí)用化閾值。針對(duì)這一問(wèn)題，研究者已開(kāi)發(fā)出多種策略，包括物理?yè)饺胙a(bǔ)鋰劑、富鋰正極預(yù)鋰化、對(duì)集流體進(jìn)行改性，以及通過(guò)新型溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控界面化學(xué)等。這些方法雖在實(shí)驗(yàn)室層面驗(yàn)證了有效性，但整體循環(huán)性能仍不理想，并且普遍需要引入額外的材料或加工工序，不僅增加制造成本與工藝復(fù)雜度，也與現(xiàn)有生產(chǎn)線兼容性不足。此外，部分補(bǔ)鋰方案還需在高電壓下活化，這一過(guò)程會(huì)進(jìn)一步催化電解液氧化分解與正極表面副反應(yīng)，使得界面退化問(wèn)題更加嚴(yán)峻。因此，無(wú)負(fù)極鋰金屬電池的實(shí)用化亟需一種能夠協(xié)同解決“活性鋰補(bǔ)償”與“界面穩(wěn)定”兩大難題的新策略。
針對(duì)這一問(wèn)題，鄒如強(qiáng)團(tuán)隊(duì)提出了一種負(fù)極原位補(bǔ)鋰與正極近表面氟化重建協(xié)同策略。現(xiàn)有補(bǔ)鋰方案中，富鋰錳基正極雖然能夠通過(guò)不可逆氧氧化還原釋放額外活性鋰，但其伴隨的晶格氧析出會(huì)與醚類(lèi)電解液發(fā)生劇烈副反應(yīng)，引發(fā)產(chǎn)氣、脹氣及過(guò)渡金屬催化分解等一系列連鎖問(wèn)題，導(dǎo)致正極界面持續(xù)退化，長(zhǎng)期以來(lái)難以與先進(jìn)的高電壓醚類(lèi)電解液體系兼容。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將這一“副作用”轉(zhuǎn)化為界面構(gòu)筑的驅(qū)動(dòng)力，利用富鋰錳基的不可逆容量為負(fù)極提供活性鋰補(bǔ)充，避免了額外預(yù)鋰化工序的引入；同時(shí)，激活的表面晶格氧與局部高濃度電解液中的氟化醚發(fā)生定向親核反應(yīng)，在正極近表面自發(fā)形成厚度僅約3nm的均勻富氟界面層，同步抑制晶格氧析出、過(guò)渡金屬遷移與電解液氧化分解，將原本的界面衰退機(jī)制轉(zhuǎn)化為界面穩(wěn)定機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)在2Ah軟包電池中實(shí)現(xiàn)了260次循環(huán)后容量保持率80%的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)在3—4.65 V高電壓條件下循環(huán)50圈后電池電壓與容量均未見(jiàn)明顯衰減。
為進(jìn)一步驗(yàn)證該策略在接近實(shí)際工況條件下的可行性，研究團(tuán)隊(duì)將電池體系放大至30Ah級(jí)軟包電池。該電池實(shí)現(xiàn)了350Whkg-1的高質(zhì)量能量密度與1200WhL-1的高體積能量密度，循環(huán)180次后容量保持率達(dá)84.4%，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能、高倍率充放電性能以及通過(guò)過(guò)充等嚴(yán)苛安全測(cè)試的穩(wěn)定表現(xiàn)。與已有文獻(xiàn)對(duì)比，該電池在成本效益、能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性等多個(gè)維度均顯著領(lǐng)先。其在無(wú)需犧牲補(bǔ)鋰劑與復(fù)雜電極改造的條件下，同步解決了活性鋰補(bǔ)償與界面穩(wěn)定的雙重難題，為下一代高能量密度儲(chǔ)能體系的商業(yè)化落地提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)和可行的工程范式。
北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士生胡文超，材料科學(xué)與工程學(xué)院博士后楊揚(yáng)、劉亞濤和深圳研究生院新材料學(xué)院葉耀坤助理研究員為論文共同第一作者。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目和北京大學(xué)-金羽新能聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。
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