低熔点合金热修复策略实现高电流密度下锂金属负极的稳定循环

为解决高电流密度下锂金属负极体积变化导致的SEI（固体电解质界面）破裂和锂枝晶问题，研究人员提出了一种基于低熔点合金的热修复策略。通过筛选熔点在室温与电解质分解温度之间的四元合金（Li-Bi-Sn-Zn），将其原位引入SEI层，实现了加热修复SEI、溶解锂枝晶且避免高温损伤。该策略使电池库仑效率恢复至100%，寿命提升约350%，为高功率锂金属电池提供了新思路。

　　

锂金属负极因其超高理论容量（3860 mAh g^?1）和最低电极电位（-3.04 V vs. SHE）被视为下一代高能量密度电池的核心材料。然而，其活泼的化学性质导致电解液持续消耗，并自发形成脆性固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI）。更棘手的是，在高电流密度下，锂负极剧烈的体积变化会引发SEI破裂和锂枝晶生长，进而造成电池短路、死锂（dead Li）堆积等问题。传统解决方案如人工SEI构建（碳材料、离子液体电解质等）或自修复材料（氢键、配位键）虽能缓解部分问题，但无法根除锂枝晶和高温下电解液分解的隐患。

针对这一挑战，中国某高校研究团队在《Journal of Materials Science》发表了一项创新研究，提出“热修复（Heat-healing）”策略。该团队通过计算筛选出熔点为45-60℃的四元合金Li-Bi-Sn-Zn（铋:锡:锌原子比71:25:4），将其原位引入SEI层。当电池工作时，合金保持固态以稳定SEI；当检测到性能衰减时，短暂加热使合金液化，实现三大功能：溶解锂枝晶和死锂、修复SEI裂纹、均化界面结构。这一“固态工作-液态修复”的动态切换机制，既保留了液态金属的自修复优势，又通过SEI约束其流动性，避免了传统液态金属电池的短路风险。

关键技术包括：1）基于Pandat软件的高通量合金相图计算，筛选低熔点组分；2）原位X射线光电子能谱（XPS）和扫描电镜（SEM）验证合金在SEI中的分布；3）差示扫描量热法（DSC）测定合金相变温度；4）电化学阻抗谱（EIS）和恒电流循环测试评估界面稳定性。

结果与讨论

1. 合金设计：通过热力学计算确定Bi-Sn-Zn三元体系最低熔点组分为Bi₇₁Sn₂₅Zn₄，引入锂后形成熔点为58℃的Li-Bi-Sn-Zn四元合金，显著低于常规电解液分解温度（>120℃）。
2. 界面修复机制：加热至60℃时，液态合金可溶解直径达20μm的锂枝晶，并通过毛细作用填充SEI裂纹，冷却后形成致密界面层。
3. 电化学性能：在4 mA cm^?2高电流密度下，改性电池库仑效率（CE）从初始92%恢复至100%，循环寿命从50次延长至225次，且热修复过程对正极材料无损伤。

该研究开创性地将“温度开关”概念引入锂金属电池界面工程，通过精准调控合金熔点和SEI结构，解决了液态金属应用中的流动性与高温稳定性矛盾。其意义不仅在于实现高电流密度下的长效循环，更为发展智能自修复电池系统提供了新范式。未来通过优化合金成分（如引入铟、镓等元素）或与凝胶电解质联用，有望进一步拓展该策略的应用场景。