溶解度不再关键：新型双夹层结构设计激活低成本金属实现无锂全固态电池中可控锂沉积形态

这篇研究通过创新性双夹层电极架构（C/Zn双层结构），突破了传统锂金属负极对高溶解度金属（如Ag）的依赖。团队利用原位光学显微镜和X射线衍射技术揭示：低溶解度金属（Zn）通过空间分离的碳|金属界面引导，可实现垂直排列的致密锂沉积（76.7%容量保持率/400次循环），为全固态电池（ASSBs）提供了经济高效的负极解决方案。

　　

1 引言

全球变暖与环保法规推动下，全固态电池（ASSBs）因其不可燃固态电解质（SE）和高能量密度成为研究热点。无锂负极（Li-free anode）通过从正极获取锂源，可最大化能量密度，但锂枝晶生长和界面不稳定性仍是重大挑战。传统银碳（Ag-C）复合夹层虽能引导锂沉积，但依赖昂贵的银（Ag）。本研究通过揭示金属溶解度对锂形态的影响机制，开发出新型双夹层结构，成功激活低成本金属（如Zn、Al、Sn）的调控潜力。

2 结果与讨论

2.1 金属种类对锂形貌的影响

通过原位光学显微镜（operando OM）观察到：Ag-C和Zn-C单层电极均能促进均匀锂成核，但微观结构差异显著。扫描电镜（SEM）显示：Ag-C中锂形成垂直排列的柱状结构（图2A,C），而Zn-C则呈现无序突起（图2B,D）。能量色散谱（EDS）和原位X射线衍射（operando XRD）证实：高溶解度的Ag能均匀分布于锂沉积层（形成Li-Ag固溶体），而Zn因溶解度低被局限在原始Zn-C层（形成LiZn+Li两相）。

2.2 碳/金属双夹层架构的突破

创新性提出碳层-金属层分离的C/Zn双夹层设计（图3）：底层碳保护SE界面，顶部Zn层作为亲锂模板。剥离强度测试（图4A）显示Zn层与集流体的粘附能（0.020 Nm）显著高于碳层（0.006 Nm），迫使锂优先在碳|Zn界面沉积。时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）证实Zn层完全锂化为LiZn合金（图4D），其体积膨胀阻塞孔隙，形成动力学屏障引导锂有序生长。该设计使Zn基负极循环寿命提升4倍（图3J），媲美Ag基系统。

2.3 实际应用验证

在2 MPa低压下，采用C/Zn双层的软包全电池（NCM811正极）实现400次循环（0.33C）容量保持率76.7%，平均库伦效率99.89%（图6C,D）。相比液态体系，固态系统中金属溶解度对性能影响更显著（图6E）。该架构可扩展至Al、Sn、Bi等低溶解度金属及其氧化物（图S27），为ASSBs提供普适性解决方案。

3 结论

研究通过界面工程突破金属溶解度的本征限制，证明锂形貌控制的关键在于构建稳定的物理接触而非单纯依赖合金化反应。双夹层设计为低成本、高性能无锂负极开发开辟新路径，推动全固态电池商业化进程。