基于迟缓热力学设计的薄型3D锂镍合金阳极实现无弹簧锂金属电池的高效储能

针对锂金属电池(LMBs)库仑效率(CE)低、锂利用率不足及体积膨胀等问题，研究人员通过迟缓热力学策略设计出兼具阳极与弹簧功能的Li/LiNi3@NF合金材料。该材料在无弹簧电池(SFLMBs)中展现出16 mV超低电压滞后和86.4%的300次循环容量保持率，为高能量密度器件提供了资源节约型解决方案。

　　

随着电动汽车和电子设备对高能量密度储能器件的需求激增，锂金属电池(Lithium Metal Batteries, LMBs)因其3860 mAh g^?1的理论容量和-3.04 V的低电极电位成为研究热点。然而，锂枝晶生长、不均匀沉积及体积膨胀等问题导致电池性能下降和安全风险，阻碍其商业化进程。现有策略如电解质改性、人工固体电解质界面(SEI)构建等虽有一定效果，但仍存在成本高、工艺复杂等局限。

深圳大学研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，通过迟缓热力学方法设计出厚度仅150-190 μm的Li/LiNi₃@NF三维合金阳极。该材料利用负吉布斯自由能特性，在400°C下形成锂镍合金相，兼具阳极活性和机械支撑功能，成功实现无弹簧电池(SFLMBs)的紧凑化设计。

关键技术包括：1) 以97%孔隙率镍泡沫(NF)为宿主材料；2) 热力学控制合金化工艺；3) 电化学剥离/沉积行为表征；4) LiFePO₄(LFP)全电池性能测试。

【材料制备】通过精确控制镍泡沫与熔融锂的反应温度和时间，获得具有梯度组成的Li/LiNi₃@NF材料，避免了传统磁控溅射等复杂工艺。

【电化学性能】对称电池在5 mA cm^?2电流密度下稳定循环800小时，电压滞后仅16 mV；与LFP组成的全电池在1C倍率下300次循环容量保持率达86.4%，体积和质量较传统电池显著降低。

【机制分析】层级电化学行为促使锂离子均匀沉积，X射线衍射证实LiNi₃合金相的存在有效抑制枝晶生长，扫描电镜显示阳极表面形成致密SEI层。

该研究创新性地将热力学调控与结构设计相结合，解决了薄型锂阳极性能衰减的难题。Li/LiNi₃@NF既作为活性物质又替代机械弹簧，使电池能量密度提升至403 Wh kg^?1，且制备工艺简单、成本可控。研究为高安全性锂金属电池的开发提供了新思路，对推动电动汽车和便携电子设备发展具有重要意义。