双梯度金属层设计实现高能锂金属电池的实用化突破

为解决高能锂金属电池中活性锂快速消耗和界面不稳定的关键难题，中国科学院物理研究所团队创新性地提出双梯度金属层(DGM)设计，通过调控锂均匀沉积和稳定固态电解质界面(SEI)形成，使NCM90||Cu软包电池在7.25mAh cm-2面容量下实现503Wh kg-1的能量密度和160次循环80%容量保持率。该研究为无负极锂金属电池(IFLMBs)的实用化提供了新思路。

　　

随着电动垂直起降飞行器(EVTOL)和人形机器人等新兴应用的兴起，对轻量化高能量密度电池的需求日益迫切。传统锂离子电池(LIBs)受限于"摇椅式"化学原理，能量密度已接近理论极限。而无负极锂金属电池(IFLMBs)通过直接在铜集流体上沉积/剥离锂金属，理论上可实现最高能量密度。然而，这种设计面临严峻挑战：阴极提供的有限活性锂会因不可逆沉积和界面副反应快速耗尽，导致电池寿命通常不足100次循环。更棘手的是，不均匀的锂沉积会产生"死锂"(dead-Li)，而不断重构的固态电解质界面(SEI)会持续消耗活性锂(SEI-Li)，这两大因素共同制约着IFLMBs的实际应用。

针对这一关键科学问题，中国科学院物理研究所黄学杰团队在《Nature Communications》发表创新研究，提出了一种双梯度金属层(DGM)设计策略。研究人员通过巧妙组合银碳(AgC)多孔层和银(Ag)亲锂层的协同效应，成功实现了锂金属的均匀沉积和稳定SEI界面构建。该工作采用电化学测试结合滴定气相色谱(TGC)定量分析死锂和SEI-Li的演化规律，结合X射线断层扫描(CT)和飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)等先进表征技术，系统揭示了DGM层的作用机制。研究结果表明，这种创新设计使600mAh级NCM90||Cu软包电池实现了503Wh kg^-1的能量密度，在7.25mAh cm^-2的高面容量下保持80%容量超过160次循环。

研究团队主要采用了四项关键技术方法：(1)通过磁控溅射和浆料涂布制备具有梯度结构的AgC+Ag双金属层电极；(2)采用滴定气相色谱(TGC)定量分析循环过程中死锂和SEI-Li的演变规律；(3)利用X射线计算机断层扫描(CT)三维重构技术无损观测沉积锂的孔隙分布和金属团聚行为；(4)结合密度泛函理论(DFT)计算和原位拉曼光谱解析电极-电解质界面化学组成。

【电极设计与失效分析】
研究首先对比了四种集流体(Cu、Cu-Ag、Cu-AgC和Cu-AgC+Ag)的电化学性能。通过扫描电镜(SEM)观察发现，DGM设计的Cu-AgC+Ag电极具有独特的起伏结构，其内层3μm多孔AgC层为外层200nm Ag提供了波动基底。接触角测试证实这种结构显著改善了电解液浸润性，接触角从纯Cu的68°降至DGM电极的32°。电化学测试显示，DGM电极使Li||Cu电池的库仑效率提升至99.76%，成核过电位降低至12.3mV。在NCM90||Cu全电池测试中，DGM设计使电池在0.2/0.33C倍率下循环160次后仍保持80%容量，远优于对照组的50次循环寿命。

【形貌特性与基底耦合】
通过循环后电极的SEM分析发现，DGM电极上沉积的锂金属在50次循环后仍保持致密平整，厚度变化仅为34.2μm→37.5μm，而对照组则出现明显的枝晶和苔藓锂结构。X射线CT三维重构显示DGM电极的孔隙率最低(3.06%)，且银颗粒分散均匀(0.2vol%)，证实了其抑制金属团聚的能力。聚焦离子束(FIB)切片进一步显示，DGM电极在充放电后仍保持结构完整性，而对照组出现明显的银块聚集和层状剥离现象。

【内亥姆霍兹平面与SEI纳米结构设计】
DFT计算表明AgC簇对FSI^-阴离子的吸附能最高(-3.8134eV)，而对DME和TTE溶剂的吸附能最低。拉曼光谱证实DGM电极表面接触离子对(CIPs)占比达62%，促进了阴离子衍生SEI的形成。XPS和TOF-SIMS分析显示，DGM电极形成的SEI以LiF为主(36.7at%)，有机组分含量最低(48.3at%)，且厚度最薄(<200s溅射时间)，这有效抑制了电解质的持续分解。

【高能无负极电池的实用化】
研究人员制备了600mAh工业级软包电池进行验证。在1.0MPa堆叠压力下，DGM基电池实现了503Wh kg^-1(1931Wh L^-1)的能量密度，7.25mAh cm^-2面容量下循环160次容量保持80%。该设计还展现出良好的普适性，使用Al、Zn、Sn等低成本金属替代Ag时，仍可实现100次以上的循环寿命。

这项研究通过创新的双梯度金属层设计，同时解决了锂金属电池中死锂积累和SEI不稳定两大核心难题。其科学价值主要体现在三个方面：首先，多孔AgC层与致密Ag层的梯度组合，既保证了快速电荷传输又实现了应力均匀分布；其次，AgC簇对FSI^-的特异性吸附促成了稳定无机SEI的形成；最后，该策略兼容多种低成本金属，为无负极锂金属电池的商业化提供了可行路径。这项工作将推动500Wh kg^-1级高能电池在电动航空和智能机器人等前沿领域的应用，为下一代储能技术的发展指明了新方向。