圖1. 無負極鋰金屬電池設(shè)計策略示意圖
圖2. 2Ah無負極鋰金屬電池的電化學性能
圖3. 30Ah無負極鋰金屬電池的電化學性能
如何突破無負極鋰金屬電池“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)鍵科學問題。近日，北京大學材料科學與工程學院鄒如強教授團隊聯(lián)合浙江金羽新能源科技有限公司，提出了負極原位補鋰與正極近表面氟化重建協(xié)同策略，成功實現(xiàn)高能量密度無負極鋰金屬電池的穩(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?進展》（Science Advances）。
無負極鋰金屬電池因其省去初始負極活性材料，直接利用集流體作為鋰沉積基底，在顯著提升能量密度、簡化制造工序的同時，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能體系的重要發(fā)展方向。然而，由于缺乏過量活性鋰，循環(huán)中易產(chǎn)生“死鋰”和副反應(yīng)損耗，導(dǎo)致其庫侖效率衰減、循環(huán)壽命遠低于實用化閾值。針對這一問題，研究者已開發(fā)出多種策略，包括物理摻入補鋰劑、富鋰正極預(yù)鋰化、對集流體進行改性，以及通過新型溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控界面化學等。這些方法雖在實驗室層面驗證了有效性，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，部分補鋰方案還需在高電壓下活化，這一過程會進一步催化電解液氧化分解與正極表面副反應(yīng)，使得界面退化問題更加嚴峻。因此，無負極鋰金屬電池的實用化亟需一種能夠協(xié)同解決“活性鋰補償”與“界面穩(wěn)定”兩大難題的新策略。
針對這一問題，鄒如強團隊提出了一種負極原位補鋰與正極近表面氟化重建協(xié)同策略。現(xiàn)有補鋰方案中，富鋰錳基正極雖然能夠通過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與醚類電解液發(fā)生劇烈副反應(yīng)，引發(fā)產(chǎn)氣、脹氣及過渡金屬催化分解等一系列連鎖問題，導(dǎo)致正極界面持續(xù)退化，長期以來難以與先進的高電壓醚類電解液體系兼容。研究團隊巧妙地將這一“副作用”轉(zhuǎn)化為界面構(gòu)筑的驅(qū)動力，利用富鋰錳基的不可逆容量為負極提供活性鋰補充，避免了額外預(yù)鋰化工序的引入；同時，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、過渡金屬遷移與電解液氧化分解，將原本的界面衰退機制轉(zhuǎn)化為界面穩(wěn)定機制。研究團隊在2Ah軟包電池中實現(xiàn)了260次循環(huán)后容量保持率80%的穩(wěn)定運行，同時在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明顯衰減。
為進一步驗證該策略在接近實際工況條件下的可行性，研究團隊將電池體系放大至30Ah級軟包電池。該電池實現(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過充等嚴苛安全測試的穩(wěn)定表現(xiàn)。與已有文獻對比，該電池在成本效益、能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性等多個維度均顯著領(lǐng)先。其在無需犧牲補鋰劑與復(fù)雜電極改造的條件下，同步解決了活性鋰補償與界面穩(wěn)定的雙重難題，為下一代高能量密度儲能體系的商業(yè)化落地提供了堅實的科學基礎(chǔ)和可行的工程范式。
北京大學前沿交叉學科研究院博士生胡文超，材料科學與工程學院博士后楊揚、劉亞濤和深圳研究生院新材料學院葉耀坤助理研究員為論文共同第一作者。該工作獲得國家自然科學基金、國家重大科研儀器研制項目和北京大學-金羽新能聯(lián)合實驗室項目的資助。
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