多尺度界面稳定化策略：基于预锂化隔膜工程的安时级无负极锂电池研究

针对无负极锂电池因界面副反应和锂库存损耗导致的循环稳定性差问题，西北工业大学团队创新性地开发了Li2S@C改性聚烯烃隔膜（Li2S@C|PE）。该设计通过预锂化补偿活性Li+库存，同时在正极界面构建含锂多硫化物（LiPS）保护层，使1.22 Ah软包电池实现450 Wh kg-1/1355 Wh L-1的能量密度和100次循环85%容量保持率，为高能量密度电池提供了可规模化生产的解决方案。

　　

在追求更高能量密度储能体系的道路上，无负极锂电池（Anode-free lithium batteries）因其完全摒弃传统石墨负极、直接在集流体上沉积金属锂的特性，被视为突破现有能量密度极限的终极形态。这类电池理论上可实现3860 mAh g^-1的超高比容量，但残酷的现实是：裸露的铜集流体上不可控的锂枝晶生长、正极过渡金属溶解引发的"交叉效应"、以及循环过程中持续的活性锂损耗，使得这类电池往往在几十次循环后便"油尽灯枯"。更棘手的是，传统厚锂箔补偿方案虽能延缓电池"死亡"，却以牺牲30%以上的能量密度为代价，这与高能量密度的设计初衷背道而驰。

西北工业大学的研究团队独辟蹊径，将目光聚焦于电池中常被忽视的"旁观者"——隔膜。他们创新性地在聚烯烃隔膜上构筑了碳包覆硫化锂（Li₂S@C）功能层，犹如在电池内部植入了一个智能锂离子"补给站"。这项发表于《Nature Communications》的研究展示，这种设计不仅能精准补充循环损耗的锂库存，还能在正极界面形成高压稳定的保护层，最终实现了安时级无负极软包电池从材料创新到工程应用的跨越。

研究团队采用了多尺度表征与工程化相结合的技术路线：通过碳热还原法制备Li₂S@C复合材料，采用微凹版涂布技术实现功能隔膜的卷对卷制备；利用原位电化学阻抗谱（in-situ EIS）和透射模式原位X射线衍射（operando XRD）实时追踪界面演化；结合扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）解析界面化学组成；最终通过1.22 Ah软包电池验证实际性能。所有电化学测试均在30°C、150 kPa压力条件下进行，采用LiFSI-1.2DME-3TTE贫电解质体系（E/C=1.8 gAh^-1）。

"多尺度界面稳定化"是这项研究的核心发现。在正极侧，Li₂S@C|PE隔膜在首次充电时释放Li⁺（达0.85 mAh cm^-2）并生成锂多硫化物，这些含硫物种在NCM811表面形成均匀的CEI（正极电解质界面）层。XPS分析显示，该界面富含LiF和S-S键合结构，使电池在4.5 V高压下仍保持稳定。ICP-MS数据证实，这种界面设计将镍离子迁移量从1035 ppb降至150 ppb，有效阻断了过渡金属溶解引发的恶性循环。

在负极侧，研究团队采用热蒸发法在铜箔上沉积100 nm银纳米颗粒（Ag-Cu），通过形成Li-Ag合金相（LiAg、Li₉Ag₄、Li₃Ag₃）将成核过电位从84.5%提升至92.9%。原位光学显微镜直观显示，传统铜箔上60分钟内即产生枝晶，而Ag-Cu基底始终保持均匀沉积形貌。这种"预合金化"策略仅消耗0.097 mAh cm^-2锂量，远低于隔膜提供的0.5 mAh cm^-2补偿能力。

电化学动力学研究揭示了更深层的机制。通过分布弛豫时间（DRT）技术解析发现，Li₂S@C|PE使界面电阻（R_int）从47.6 Ω降至15.4 Ω，电荷转移电阻（R_ct）从118 Ω降至38.8 Ω。同步辐射XRD追踪显示，改性隔膜使NCM811的晶格参数变化从2.0%大幅降低至0.2%，证实了预锂化对正极结构稳定的积极作用。

这项研究的工程价值在1.22 Ah软包电池中得到完美体现：采用双面25 mg cm^-2的NCM811正极和Ag-Cu集流体，电池在0.1C-3C倍率范围内展现优异性能，能量效率始终维持在99.83%以上。更重要的是，整个预锂化工艺完全兼容现有卷对卷生产线，60 mm×100 m的连续隔膜制备演示了其工业化潜力。

该研究突破了无负极锂电池领域的三重技术壁垒：通过"隔膜预锂化"解决锂库存损耗难题，利用"界面硫化学"抑制高压正极退化，借助"合金化基底"实现均匀锂沉积。这种多管齐下的策略不仅使无负极电池从概念走向实用，更开创了"功能化隔膜"设计新范式。正如研究者所言，这项技术无需改变现有电极生产工艺，只需在最后组装环节替换标准隔膜，这种"即插即用"的特性使其具有显著的产业化优势。当新能源产业亟需突破500 Wh kg^-1能量密度天花板时，这项研究无疑提供了一条切实可行的技术路径。