【复材资讯】无负极固态电池：有效锂损失剖析与应对策略

09-02 06:39

【研究背景】

无负极固态锂金属电池（AFSSLMBs）具有理论能量密度高、安全性好、成本低且制造工艺简化等显著优势，是下一代高性能电化学储能器件的重要发展方向。然而，该技术目前尚处于起步阶段，难以满足实际应用和商业化要求。存在不稳定的固态电解质界面、锂枝晶生长、不良副反应以及电池循环中不利的体积膨胀等问题，导致锂沉积/剥离效率低、容量衰减快，严重阻碍其实际应用。为突破这一瓶颈，需要从新视角深入理解失效机制并探索优化策略。

近日，福州大学郑云教授/张久俊院士团队和中国科学院大连化物所陈忠伟院士，首次从“有效锂损失”这一核心角度剖析AFSSLMBs面临的挑战。提出“有效锂损失 = 不可逆锂损失 + 迟缓锂动力学”的公式，并以规避“有效锂损失”为主线，系统总结了近2 - 3年涌现的五类关键组件层面的先进优化策略，包括先进固态电解质构筑、集流体/固态电解质界面优化、集流体改性、先进3D锂宿主设计、先进正极调控。最后，文章指出AFSSLMBs当前挑战及未来发展方向，旨在加速其研发进程，推动实际应用与商业化。

【本文亮点】

（1）AFSSLMBs面临困境新视角：作者将AFSSLMBs的核心挑战归因于“有效锂损失”，并提出其构成公式。不可逆锂损失源于正负极固态电解质界面层（SEI/CEI）形成、负极“死锂”产生以及正极姜 - 泰勒效应、穿梭效应等，表现为电池库伦效率低下和容量快速衰减。迟缓锂动力学归因于固态电解质中锂离子传导缓慢、不稳定的SEI层及“死锂”阻碍、不稳定的CEI层和正极结构问题，表现为高极化电压和倍率性能不佳。这一框架揭示了AFSSLMBs性能衰退根源，指明技术突破方向。“有效离子损失和恢复”概念具有普适价值，可用于电池材料及电化学储能领域。

（2）AFSSLMBs最新代表性研究进展：近2 - 3年AFSSLMBs研究热度高，但高水平综述较少。作者基于“有效锂损失”理论框架，系统梳理该领域最新突破进展。以规避有效锂损失为核心，总结五类关键组件层面的先进优化策略，为领域发展提供技术路径图。

【图文解析】

图1、无负极固态锂金属电池（AFSSLMBs）的基本介绍

作者从能量密度、安全性、环境影响、制造难度、使用寿命和价格等方面，对锂离子电池（LIBs）、固态锂金属电池（SSLMBs）和AFSSLMBs进行比较，说明AFSSLMBs系统的应用前景，还总结了不同AFSSLMBs系统的比例和全电池性能表现。

图2、AFSSLMBs面临的挑战和各种应对策略概述

作者将AFSSLMBs的核心挑战归因于“有效锂损失”，提出其构成公式。不可逆锂损失导致电池库伦效率低下和容量快速衰减，迟缓锂动力学表现为高极化电压和倍率性能不佳。针对有效锂损失，总结了五类关键组件层面的优化策略。

图3、AFSSLMBs先进固态电解质的构筑

先进固态电解质的构筑是规避AFSSLMBs有效锂损失的关键策略。固态电解质（SSE）性能决定锂离子传导效率、固态电解质界面层稳定性以及锂枝晶抑制能力。目前主要聚焦先进自支撑SSE和原位聚合SSE的开发。先进自支撑SSE可避免有效锂损失，但与电极的界面相容性有待提高。

图4、AFSSLMBs先进固态电解质的构筑

原位聚合技术应用于AFSSLMBs的SSE设计。引入特定液体电解质前驱体，在电池内部原位聚合转化为高性能固态电解质，能改善电解质与集流体及正极的界面接触，提升界面相容性。基于双键聚合与开环聚合体系，已开发多种设计方案避免有效锂损失。

图5、AFSSLMBs的集流体（CC）/固态电解质（SSE）界面处的基础研究

优化集流体与固态电解质（CC/SSE）界面是解决AFSSLMBs有效锂损失的核心策略。当前研究从集流体和固态电解质两个维度调控关键参数，优化集流体厚度与表面粗糙度以及固态电解质表面几何形状。

图6、AFSSLMBs的CC/SSE界面的深入机制分析

集流体/固态电解质（CC/SSE）界面存在复杂现象，需深入探究其潜在机制。研究者已提出多个模型，揭示锂的电化学成核行为、锂晶核生长模式以及沉积过程中锂微观结构的演化。

图7、AFSSLMBs种集流体（CC）的修饰

集流体（CC）改性是提升AFSSLMBs性能的关键路径。引入优异的CC改性层，能抑制局部电流集中，实现均匀锂沉积，促进形成稳定的SEI层并增强锂层附着力，减少有效锂损失。改性层包括金属层和非金属层，为调控界面行为、减少有效锂损失提供新思路。

图8、AFSSLMBs的先进3D锂宿主设计

3D锂宿主设计是规避AFSSLMBs有效锂损失的创新策略。通过设计功能性材料为锂金属提供“宿主”，能解决锂损失和动力学迟缓问题。近期研究聚焦碳/镁/锌基宿主和银 - 碳宿主。这些设计调控锂沉积行为与界面环境，降低有效锂损失，提升循环稳定性和能量密度。

图9、AFSSLMBs中基于的3D Ag - C锂宿主机制探索

基于3D Ag - C锂宿主在AFSSLMBs中的广泛研究，深入探索其作用机制对规避有效锂损失具有指导意义。研究者已通过实验和理论计算揭示其关键机理。

图10、AFSSLMBs的先进正极调控

先进正极调控是规避AFSSLMBs有效锂损失的核心策略。电池中可循环锂源自初始锂化正极，正极固态电解质界面（CEI）影响锂损失程度，因此正极性能优化是研究热点。当前策略聚焦构建正极保护层及实施锂补充策略。

【总结与展望】

无阳极固态锂金属电池（AFSSLMBs）因高能量密度、成本效益高、安全性好和制造简便等优点，成为下一代储能设备的有前景替代品。但锂沉积/剥离低效率和容量快速衰减阻碍其发展。本文从有效锂损失角度分析挑战，总结为不可逆锂损失和缓慢锂动力学。随后从五个方面总结防止有效锂损失的策略。最后介绍了AFSSLMBs的关键挑战和未来研究方向。

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