综述：无电极水系电池

《Journal of Materials Chemistry A》：Roadmap for electrode-free aqueous batteriesOpen Access

　　

水系电池正演变为大规模和可穿戴应用中现代锂离子电池（Li-ion batteries）的可持续且安全的替代方案。尽管水系电池在电极材料和电解液方面取得了显著进展，但其电池架构和电荷存储机制主要仍为嵌入/脱出或转化控制。在本前瞻性观点中，研究人员探讨了一种新兴的无电极水系电池（electrode-free aqueous batteries, EFABs）概念，该概念无需预制电极，电极直接从集流体上沉积和溶解。在每次充放电循环中会形成瞬态且动态的固-电解液界面（solid–electrolyte interface, SEI）。本前瞻性观点简要审视了无电极水系电池的最新进展、设计概念、底层电荷存储机制、电解液的基本动力学以及瞬态界面。最后，研究人员指出了当前挑战和该新兴领域的未来方向，重点关注下一代极简、可持续电池的开发。

1. 引言：为什么我们仍然需要电极？
电极是简单一次或二次电池以及现代先进锂离子电池（Li-ion batteries）的组成部分。它们不仅被视为电池的功能组件，也是电池的身份标识，这体现在大量以材料为中心的研究集中于发现、合成和优化更好的电极化学。许多研究致力于电极材料，特别强调优化电极结构、沉积技术、粘结剂化学和形貌工程以实现增强的电化学性能。通常，电极材料通过化学和物理过程合成，然后通过浆料涂覆、辊压或3D打印沉积在集流体上，或通过物理/化学气相沉积（PVD/CVD）或电沉积直接沉积。其中一些沉积技术（如浆料涂覆、辊压）存在技术挑战，包括薄膜不均匀、裂纹和结构完整性降低。沉积过程的效率、为更高能量密度制备更厚薄膜、大规模生产以及高昂成本与某些沉积工艺（如PVD/CVD、电沉积和3D打印）相关。除了均匀稳定沉积的问题外，电极材料合成的高成本以及材料高温烧结也增加了电池的生产成本。仅电极制备过程的能耗就占电池生产总能耗的40–60%。此外，锂金属的高成本以及有机电解液的相关安全问题促使研究人员寻找可持续且成本效益高的替代方案。

水系电池因防火特性和低生产成本而成为替代方案。几种地壳丰富金属基（锌（Zn）、铝（Al）、铁（Fe）等）电极因其低成本、安全性和环境友好性在水系电池中受到广泛关注。水系电解液基电池具有高理论容量，例如Zn（840 mA h g^-1或5850 mA h cm^-3）、Al（2980 mA h g^-1或8040 mA h cm^-3）和Fe（960 mA h g^-1或7557 mA h cm^-3）等。与传统高容量金属如锂或钙相比，这些金属在空气中化学稳定且不可燃。尽管具有高理论容量，但由不均匀沉积/溶解引起的枝晶形成、析氢反应（HER）、循环过程中表面钝化和腐蚀限制了水系电池的性能。这些不是孤立问题，而是与固-电解液界面（SEI）相关的更深层次问题的症状，如体积变化、非均匀离子通量和界面副反应，导致容量衰减、库仑效率（CE）降低和电池寿命缩短。为克服这些问题，研究人员考虑并研究了多种电极改性方法，如金属合金化、阳极非晶化、集流体改性等。这些改性显著改善了水系电池的性能，但大多数前述问题仍然存在。仅电极无法解决这些问题；为应对它们，研究重点已转向电解液工程、充电协议或电池化学优化。这些方法在电池技术的最新进展中发挥了关键作用。多种电池化学，如嵌入、转化、沉积、液流和空气反应，支配着水系电池的存储机制。其中，沉积/溶解化学尤为重要，因其因循环过程中电极的再生而实现更高能量密度和更好稳定性。少数研究表明，锰氧化物可通过沉积/溶解机制存储能量，涉及双电子Mn⁴⁺/Mn²⁺氧化还原反应，并表现出616 mA h g^-1的高理论容量。然而，金属离子溶解和阴极析氧反应显著降低了电池的循环寿命。相反，枝晶生长和HER对水系电解液中的阳极材料提出了两大挑战。研究人员尝试通过采用无阴极或无阳极方法来缓解这些挑战，但这只能抑制其中一个问题，而无法消除与阳极和阴极相关的全部问题。相同的沉积/溶解反应，辅以电解液工程，为无电极水系电池（EFABs）开辟了新途径，其中活性电极材料在充电时直接沉积在集流体上，在放电时溶解回电解液。这种EFAB有效消除了对预制固体电极的需求，从而降低了电极材料合成和电极制造的复杂性、减轻了重量并降低了成本。这不是渐进式改进，而是一种连贯的设计理念，以界面驱动的电荷存储现象为核心。在该系统中，性能和稳定性由充电过程中形成的动态固-电解液界面（SEI）驱动，而非反应性固体电极。通过去除或最小化对固体预沉积电极的需求，EFAB可以缓解传统电池中常见的几种退化过程，如机械失效、不可逆表面化学等。

到目前为止，已发表少量关于无电极水系电池的文章。2021年，Wang等人首次探索了基于沉积/溶解化学的几种无电极水系电池架构，将Zn/Cu/Cd/Pb与MnO₂结合。他们使用了碳布集流体和由MnSO₄及相应阳极金属盐水溶液组成的电解液。这引发了一个发人深省的问题：EFAB是否值得给予重大关注以使其成熟为大规模储能可持续解决方案？在本前瞻性观点中，研究人员将系统讨论EFAB的架构和当前最新发展。同时，研究人员将批判性地分析科学和技术挑战，特别是关于电解液工程、集流体设计和长期稳定性。通过识别挑战并设定现实可实现的性能目标，研究人员提出了一份路线图，以指导这一快速变化领域的未来研究方向。研究人员旨在解释这一有前景且新兴的下一代储能技术的机遇和局限性。

2. 一种新的电池架构
传统水系金属离子电池的性能取决于固体电极的结构和化学完整性及其与电解液的相互作用。传统水系电池的储能机制依赖于嵌入/脱出机制和转化机制。相比之下，EFAB的工作原理根本不同；在这种情况下，电解液充当活性材料。两种电极的前驱体在充电时溶解在电解液中并电沉积在集流体上，形成瞬态且可逆的电极。在放电过程中，两个电极溶解在电解液中，使集流体清洁并恢复到之前状态。这种电极的动态形成消除了对固定阳极或阴极的需求。图1a和b显示了无电极电池及其沉积过程的示意图。阴极和阳极的单独示意图分别如图1c和d所示。2009年，Wang等人首次报道了一种新型可充电锂-铜电池，其两种电解液由离子选择性膜隔开。充放电过程由金属Cu（或Li）的溶解-沉积以及Li⁺离子在膜两侧电解液之间的转移控制，而非传统的嵌入/脱出。2012年，Perret及其同事报道了基于MnO₂在1.6 V宽电位窗口内沉积和溶解机制的水系混合超级电容器。EFAB的真正突破出现在2019年，当时Liang及其同事开发了一种基于沉积-溶解技术的通用策略来构建水系电池。他们成功构建了MnO₂-Cu、MnO₂-Zn和MnO₂-Bi电池，并系统讨论了阳极和阴极的沉积-溶解行为。2021年，Wang及其同事开发了无电极MnO₂-金属（Cd、Zn和Cu）电池，具有15000次循环的可逆性以及134 Wh L^-1的体积能量密度。他们证明这些电池通过阴极和阳极的Mn²⁺/MnO₂和M/M^x+的双重沉积和溶解来存储能量。不仅是锰基电池，无电极铁电池也受到关注。2024年，Ji及其同事开发了双无电极水系铁离子电池，其能量密度比传统水系铁离子电池高2600%。无电极电池的发展时间线如图1e所示。电解液的功能类似于氧化还原液流电池，提供可调性和可逆性，而无需昂贵的膜或庞大的液流电池基础设施。因此，EFAB弥合了液流电池和固态电池之间的差距，实现了一种紧凑、灵活的水系储能系统，适用于从便携式和可穿戴电子产品到电网级缓冲的各种应用。

这种无电极配置相比传统电池具有显著优势。它消除了电极制造的需求，通过去除电极材料合成、浆料制备、涂覆和干燥来简化制造过程。这种简化不仅降低了生产成本，还提高了可重复性和设计灵活性。无笨重电极改善了离子传输，并通过电解液中的均匀离子分布实现均匀沉积，从而增强了倍率性能和功率密度。此外，这促进了电解液离子与活性位点的更好相互作用。在每个充放电循环中，会生成新的SEI，解决了表面钝化、枝晶形成和机械变形等问题。这种SEI的再生促进了循环性能和寿命的稳定性。EFAB通过消除电极来最小化材料使用，与可持续性目标（如循环设计和资源效率）紧密契合。简洁的设计也简化了电池寿命结束后的材料回收和再循环。

将简单想法转化为实际应用通常具有挑战性，EFAB也不例外。虽然去除体电极的概念听起来很有吸引力，但其实现需要克服前所未有的新复杂挑战。在EFAB中，电荷存储的责任从固体电极转移到电解液、集流体、界面和器件架构。电解液是EFAB的核心，必须具有高离子电导率、优异的氧化还原稳定性，并抑制阳极和阴极的副反应。瞬态界面需要精确控制电极沉积，以防止副反应、枝晶生长和界面不稳定性。电解液与集流体之间的动态界面必须调节并确保充放电过程中电极在集流体上的精确均匀沉积和溶解。图2显示了界面驱动的沉积/溶解过程。集流体的设计至关重要，因为它必须实现均匀成核和可逆反应。它还充当连接电学和离子过程的功能元件。此外，器件级工程必须平衡效率、可扩展性和机械稳定性。解决这些挑战对于释放EFAB作为可持续下一代能源系统的全部潜力至关重要。

3. 无阳极、无阴极和无电极电池之间的比较与差异
对更高能量密度、简化电池架构和更低制造成本的不懈追求导致了无阳极、无阴极和双无电极架构的出现。研究界很少同时讨论这三种架构，因为它们都涉及电极材料的原位形成；然而，它们依赖于不同的设计架构和存储机制（表1）。无阳极电池是其中历史最久、最成熟的技术。电池组装时没有活性阳极材料，负极侧使用裸集流体。通常，金属离子在充电时电沉积在裸集流体上，其中电解液或阴极充当这些金属离子的来源。这种结构去除了多余的金属并减少了非活性或死质量，从而提高了重量和体积能量密度。电池性能对沉积和溶解循环过程中的金属损失敏感。然而，电解液消耗、死质量和库仑效率衰减是无阳极电池的主要缺点。无阴极电池是该概念的扩展，其消除了预制阴极而非阳极。通常，活性阴极材料在充电时电化学生成在导电正极集流体上，并在放电时溶解回。MnO₂/Mn²⁺沉积/溶解化学是无阴极水系电池中最具代表性的策略。该架构简化了阴极制造，同时减少了阴极材料的死质量，同时保留了传统阳极。然而，由于放电过程中溶解不完全、相变和电解液降解，无阴极电池的长期可逆性和高自放电仍然是主要挑战。上述两种架构的逻辑顶点和演变是无电极电池，它同时消除了预制阴极和阳极。在此，电解液充当两种氧化还原活性物种的储库，并在充电时电沉积在集流体上形成瞬态电极，在放电时溶解回电解液。在此，电解液成为最重要的组件，因为它不仅作为离子导体，还作为活性材料的储库。无电极电池的电荷存储机制从固体电极转移到电解液和动态演变的界面。图3给出了所有这些不同类型电池的示意图。

无电极电池比无阳极和无阴极电池具有多个优势。首先，它们消除了两个预制电极，显著减轻了质量，有效增强了能量和功率密度。其次，通过消除浆料制备、涂覆和干燥过程简化了制造工艺。第三，电荷存储以电解液为中心，这允许更容易的回收和翻新。第四，该架构通过最小化材料消耗和制造复杂性来支持循环经济。然而，无电极电池也引入了新的科学和技术挑战，包括瞬态界面、可逆电沉积动力学和集流体工程。然而，这三种电池配置不应被视为竞争对手，而是电池架构演变中的连续里程碑。从无阳极或无阴极电池中获得的知识将共同积累，用于无电极电池的未来发展。

4. 当前最新进展
过去十年中，研究人员致力于开发具有更高能量密度和安全性的电池。综合考虑两者，水系电池已成为有前景的候选者，同时采用了无阳极或无阴极配置等策略。这些方法基于在集流体上可控原位生长阳极或阴极材料，而在EFAB的情况下，需要精确控制阳极和阴极的沉积和溶解，这只能通过电解液工程来实现。为了正确理解EFAB，对上述要素进行综合研究至关重要。

4.1 电池组件优化
4.1.1 阳极沉积优化
对于EFAB，阳极在充电时从电解液中的前驱体离子沉积在负极集流体上。然而，可能存在优先生长方向，导致枝晶形成。这种不受控制的枝晶生长是水系电池的关键挑战之一，因为它可能导致容量衰减、短路和较差的循环性能。在充电过程中实现平滑致密的阳极沉积对于EFAB的长期运行至关重要。已开发了多种策略，如工程化集流体结构及功能化、改性电解液等，以实现平滑阳极沉积。集流体的物理化学性质对平滑阳极沉积起着关键作用。因此，开发具有高表面积和多孔结构（如镍泡沫、铜泡沫、碳布）的三维（3D）集流体能够实现集流体上均匀的电流密度分布，从而降低局部离子通量并抑制枝晶生长。这种集流体结构还增强了电解液离子的可及性。最近，一些研究小组使用了金属泡沫集流体或3D打印碳集流体。这种3D集流体结构还改善了电池中的电流密度和应力管理。用某些选定材料（如银、锡等）对集流体进行表面功能化可能有利于阳极材料的均匀涂层，并可用于引导阳极成核和促进生长均匀性。Zhu等人使用与羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶混合的碳盘作为无阳极Zn-MnO₂电池的负极集流体。更好的阳极成核和沉积由电解液以及电解液与集流体之间过渡SEI的形成决定。各种表面活性剂或添加剂，如Triton-X-100、聚乙二醇或柠檬酸盐，可添加到电解液中，通过选择性吸附在阳极表面或形成液晶来操纵界面化学。Xu等人将中性蛋白质（丝素蛋白）添加剂掺入水系电解液中，产生保护层，该保护层表现出强Zn²⁺离子亲和力，导致均匀的Zn沉积，并通过在阳极周围形成绝缘层来抑制副反应。电解液中的这些表面活性剂和/或添加剂还可以帮助抑制副反应并降低过电位。铁也是沉积/溶解控制电池系统的有前景候选者。Fe的Fe⁰/Fe²⁺和Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对为开发无电极电池提供了机会。Ji及其同事开发了一种双无电极水系铁电池，其中电解液中的Fe²⁺离子在阳极侧被还原为Fe金属沉积在活性炭集流体上，并在阴极侧被氧化为氧化铁沉积在活性炭集流体上。FeSO₄电解液中的NH₄Cl中和了酸性电解液，并提供亲质子阴离子，支持优异的Fe沉积/溶解效率（~96.4%）和更长的循环寿命（~1000次循环）。几种无阳极铝离子电池表现出类似的沉积-溶解反应动力学。尽管具有高能量密度、成本效益和自然丰度，但Al阳极遭受钝化层Al₂O₃的生成。几种非水系电解液提供了保护阳极免受此类钝化的机制。不同的策略如合金化、非晶化、集流体改性等已被采用。然而，消除这种钝化最有效的方法是直接去除Al金属阳极本身。Lu等人开发了无阳极水系铝离子电池，使用Cu集流体与聚苯胺和Al₂TiO₅混合的阴极配对。在充电过程中，Al离子沉积在Cu集流体上形成AlCu合金层，充当高度可逆的阳极。Zhao及其同事通过形成Au纹理来调控Al生长，开发了无阳极铝电池。这种形态不仅抑制了枝晶生长，还支持了Al沉积和溶解的可逆性。他们还对Al沉积-溶解以及使用Au阳极基底和石墨阴极的电池的长期性能进行了广泛研究。

4.1.2 阴极沉积优化
在传统水系电池中，电荷存储由嵌入/脱出控制，阴极通常因高电荷密度金属离子（如Al³⁺或Zn²⁺）而表现出缓慢的反应动力学和/或结构坍塌，导致性能下降。而在无电极配置中，嵌入/脱出机制可能被沉积/溶解过程取代。这种相同的方法已在各种无阴极铁离子、铝离子和锌离子电池中观察到。在缺乏预制阴极的情况下，电解液中的活性离子被氧化并沉积在集流体上，从而形成动态阴极用于电荷存储，正如之前提到的各种无阴极电池中所观察到的。然而，固定阴极的缺失带来了多个独特挑战，如阴极材料的不受控制或不规则生长、结晶度差、低电导率和可逆性。类似于无阳极设计，已采取多种策略来改善平滑沉积/溶解和电池性能。这可以通过增加集流体的粗糙度或功能化来实现，这可以为阴极材料的均匀沉积铺平道路。碳质材料，如石墨烯或纳米碳涂覆在集流体上，可因其高表面积而充当良好的阴极宿主材料。此外，这些碳质材料可以通过降低沉积过程中的过电位来提供更好的沉积条件。另一种策略是引入电极材料的种子层，这可以辅助活性电极材料的均匀可逆沉积/溶解。Qi及其同事使用了锰基普鲁士蓝类似物作为种子层。锰基普鲁士蓝的亲锰性质支持了Mn²⁺/MnO₂的沉积/溶解动力学。该技术显著提高了无阴极水系锌电池的倍率性能和循环稳定性。任何材料的电沉积对周围环境的pH高度敏感，沉积可以通过调节pH来调控。使用电解液中的缓冲剂可以稳定阴极的氧化和沉积。Liu等人使用醋酸缓冲液在电解液中创造一个温和的酸性环境，用于MnO₂的均匀沉积。缓冲添加剂有效缓解了副反应，如腐蚀和析氢。此外，该缓冲液还抑制了充放电过程中的“波动”现象，从而延长了电池的寿命。此外，除了共溶剂，电解液中的表面活性剂可以是另一种方法，通过诱导电极和电解液之间的瞬态界面并引导阴极材料以优先取向沉积，来获得更好的阴极沉积/溶解。这也增强了沉积阴极的结晶度和电导率。Li等人报道，类似于Zn沉积，MnO₂沉积可以通过软模板法控制，使用电解液中少量Triton X-100洗涤剂。这种软模板法促进了六方MnO₂在集流体上的均匀沉积。Yadong等人精确指出了在温和酸性条件下，过量Mn²⁺离子存在下，水系Zn-MnO₂电池的反应机制。他们证明，预制MnO₂层不是此类电池的必要组件，MnO₂的沉积/溶解可以提供更高的循环稳定性以及更大的能量密度。Chai及其同事报道了一种无阴极铁离子电池，他们使用了NH₄Cl/FeSO₄电解液。Fe电镀和剥离发生在阳极侧，而在正极集流体上发生三种不同机制，即Fe²⁺吸附/脱附、Fe^II/Fe^III转化和Fe^III沉积。组装的软包电池表现出适中的功率和能量密度，同时1000次循环后保持91%的初始容量。充电过程中羟基氧化铁（FeO(OH)）的形成是阴极原位沉积的另一种过程。Zhang等人使用FeSO₄电解液展示了无阴极铁离子电池。Ji等人报道了一种双无电极水系铁电池，其中FeSO₄(OH)·2H₂O阴极沉积在活性炭集流体上。他们表明NH₄Cl/FeSO₄电解液是最合适的电解液，其重量能量密度比传统Fe²⁺摇椅电池高2600%。几种水系液流电池也表现出类似的沉积-溶解控制的电荷存储机制。

4.1.3 电解液优化
电解液是无电极电池的核心。在此，电解液不仅促进离子传输，还充当阳极和阴极原位形成的前驱体。此外，电解液控制着它们的均匀沉积。电解液可以是水系或非水系。尽管操作窗口窄，但水系电解液因可持续性和防火特性而受到关注。然而，仔细优化电解液组分对于调节直接影响整体电池性能的关键性质至关重要。理想情况下，EFAB电解液应：(1) 具有高离子电导率（~10^-3 S cm^-1），以便促进快速离子传输并最小化电池内阻；(2) 维持最佳pH范围以支持电极的可逆沉积/溶解；(3) 维持足够高的前驱体离子浓度，以促进有效的电极沉积和溶解；(4) 显示宽稳定窗口和高电化学稳定性；(5) 具有成本效益、环境友好、易于获得、与循环经济兼容，并支持大规模商业化生产。开发具有上述性质的EFAB电解液需要仔细考虑策略，包括组分调控、pH优化、添加剂工程、溶剂化结构调节等。

4.1.3.1 pH优化
电解液的pH是最关键的参数之一，因为它控制并调节电极的均匀沉积。此外，副反应如HER和腐蚀强烈依赖于电解液pH。温和的酸性环境有利于MnO₂沉积。例如，Liu等人将醋酸掺入电解液，并观察到在温和酸性条件下MnO₂的均匀沉积。醋酸作为缓冲剂，限制了循环过程中的波动，从而增强了电池稳定性。此外，详细研究表明，酸性添加剂有效帮助控制阳极上的HER和腐蚀。Liang及其同事系统研究了不同H₂SO₄浓度下无电极Cu-MnO₂电池的储能性能。他们发现使用0.5 M H₂SO₄电解液时获得最佳性能，而较低或较高H₂SO₄浓度的电解液电池性能下降。

4.1.3.2 共溶剂法
通过将极性有机溶剂掺入水系电解液形成混合电解液是锌电池中改善循环稳定性和抑制副反应（如HER、腐蚀等）的成熟策略。在可逆沉积/溶解控制电池中引入共溶剂策略已被证明是改善电极沉积/溶解和电池性能的有效手段。例如，Yu及其同事引入共溶剂（二甲基亚砜（DMSO）和乙腈）来解耦Zn²⁺沉积/溶解过程。他们观察到，共溶剂的掺入破坏了水介导的氢键传导并阻碍了H转移，但促进了Zn²⁺离子从瞬态到稳态的（去）溶剂化。此外，共溶剂可以通过间接调节途径修改或调节钝化层的构建和分布。使用盐析效应设计由两种不可混溶液体（水和碳酸丙烯酯）组成的混合电解液是开发共溶剂基电解液的另一种策略。混合电解液形成了良好调控的Zn²⁺溶剂化结构，这对形成防水且坚固的固-电解液界面起着关键作用。这种混合电解液改善了阳极和阴极的循环稳定性以及电池的循环稳定性。共溶剂法有效支持SEI的形成，并通过防止枝晶生长和阳极附近水分子分解来增强电池性能。

4.1.3.3 添加剂掺入
除了电解液pH，不同有机和/或无机添加剂在从无电极电池获得优化性能方面发挥着重要作用。An等人将氟化锌添加剂掺入电解液，从而创建了稳定的富氟界面层。这种添加剂不仅调节了Zn的均匀沉积，还通过钝化Zn电极来抑制副反应，如氧化物形成和HER。将乙二醇引入基于乙酸锌、乙酸锰和乙酸的水系电解液中，增强了Zn和MnO₂反应的循环稳定性和库仑效率。此外，由于HER的抑制，掺入乙二醇后Zn电镀效率显著提高。然而，在MnO₂电极中未观察到乙二醇添加剂的类似效果。Li及其同事在电解液中引入了少量表面活性剂添加剂，与硫酸锌和硫酸锰结合，并将表面活性剂用作MnO₂在集流体上沉积的软模板。充电时，表面活性剂分子聚集形成紧邻正极和负极集流体的液晶界面，从而促进MnO₂和Zn的沉积。这种液晶界面有助于实现稳定的SEI，并导致高能量密度和长期稳定性。类似地，通过向双无电极水系铁离子电池的Fe₂SO₄电解液中添加NH₄Cl，改善了Fe阳极电沉积。这种铵盐的掺入不仅中和了电解液的酸性，还生成了亲质子阴离子，用于Fe阳极的平滑均匀沉积/溶解。

还有几种不同的方法，如盐包水、每个半电池使用不同电解液或使用不混溶液-液电解液，这些方法因使用过量盐（盐包水）、离子选择性隔膜（每个半电池不同电解液）或结构复杂性（不混溶液-液电解液）而增加了整体成本，从而限制了无电极方法的有效性。然而，固相聚合物或陶瓷型电解液已被研究用于无电极锂基电池。对于此类固体电解液基电池，电解液厚度在能量和功率密度中起关键作用；因此，仍需要解决厚度优化以及枝晶形成的担忧。

4.2 界面动态调控：固-电解液界面（SEI）化学与沉积动力学
SEI在传统锂离子电池中的作用已得到充分证实，它是决定循环性能、耐久性和电池寿命的主要因素。SEI通过形成钝化层来影响电极表面的HER和腐蚀反应。然而，在EFAB中，由于缺乏预制电极和可逆沉积/剥离过程，SEI的角色更加复杂和动态。在EFAB中，SEI除了其常规活动（即提供循环稳定性和维持电池健康）外，还创造了有利于电极均匀沉积的环境。理想情况下，EFAB中良好结构的SEI在充电时对阳极和阴极的均匀沉积厚度起着关键作用。它还创造了一个合适的环境，要求在放电时电极材料从集流体上溶解。它还控制副反应，如枝晶生长、HER和腐蚀，这些是电池的限制因素。最重要的是，它应结合自修复和自形成能力，而不牺牲电化学性能。SEI的形成由热力学控制，即电解液的最低未占据分子轨道（LUMO）必须高于阳极的费米能级，而电解液的最高占据分子轨道（HOMO）必须低于阴极的费米能级。

与传统电池不同，EFAB通过瞬态界面运行。这些界面在充电时生成，在放电时消失。为了实现电池的更长性能，必须一致地形成和分解瞬态界面。最近的几项研究表明，通过调控电解液可以实现SEI的稳定性。例如，Li及其同事将表面活性剂分子引入电解液，形成了液晶界面，并分别作为正极和负极集流体上MnO₂和Zn沉积的模板。这些液晶界面还防止了枝晶形成和副反应，从而延长了循环寿命。可以使用多种原位或操作表征技术，如操作XRD、扫描电化学显微镜（SECM）或电化学石英晶体微天平（EQCM），来观察无电极电池的SEI形成、离子-溶剂相互作用和沉积/溶解动力学。偏振光学显微镜可用于观察SEI处液晶的形成。为了研究阳极材料的电沉积，使用铜TEM网格作为集流体，通过Cryo-TEM研究EFAB的Zn沉积。Singh等人通过EQCM和原位光学显微镜研究了集流体上Zn的电镀和/或剥离。使用原位EQCM，作者通过观察静态时间期间Zn阳极的逐渐质量损失，监测了无电极Zn-MnO₂电池的自放电行为。他们还表明，电池的整体性能不受MnO₂沉积的影响。同一组还使用操作光学显微镜监测了充电和放电过程中Zn的沉积和溶解。Ji等人进行了操作光学显微镜，观察了Fe和FeSO₄(OH)·2H₂O分别作为阳极和阴极在活性炭集流体上的沉积，以及它们随施加电位变化的实时演变。光学显微镜图像显示了充电过程中阳极和阴极材料的生长。他们还通过操作XRD显示了充电过程中Fe和凝胶状FeSO