CAT蓄电池高能量密度锂电池用自支撑薄锂金属负极的制备技术
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卡特蓄电池 发布时间：2026-04-14 20:30:58 点击： 次
图文摘要
引言
基于可逆电化学金属沉积/剥离机制的锂金属负极具有超高理论比容量密度（3860 mAh g−1），较传统石墨负极（372 mAh g−1）高出十倍以上。此外，锂金属还具备最低的还原电位（相对于标准氢电极为-3.04 V）和较低的重量密度（0.534 g cm−3)，因此被誉为锂基电池的"圣杯"电极[[1], [2], [3]]。这使得锂金属电池(LMBs)日益被视为实现高能量密度锂电池体系的必然发展路径，然而提升LMBs的实际能量密度仍是实现其商业化应用的关键挑战。例如，将锂金属负极(LMA)与过渡金属氧化物正极匹配时，其能量密度可达约400 Wh kg<sup>-1</sup>。−1通过合理的系统设计。此外，当与锂硫（Li-S）或锂氧（Li-O2）电池等高理论能量密度体系结合时，可实现超过600 Wh kg−1的能量密度，展现出高锂利用率和显著的全电池输出电压[[4], [5], [6], [7]]。
实现高能量密度锂金属电池（>350 Wh kg−1）需采用实际应用条件[8,9]，如采用薄锂金属负极（<50 μm）、高正极载量、低负/正容量比（N/P比<3）、低电解液/正极比例（E/C比<3 g Ah−1）及高循环速率（>72 mA g−1根据文献[[10], [11], [12]]的研究，但实际测试结果表明[12]，当阳极中金属锂(LMA，250μm)过量较多时，电解液用量越大，电池循环性能越好(图1a)。然而，当N/P比为2.7时，无论电池中添加多少电解液，电池循环寿命均急剧下降至约10次循环(见图1b和c)。主要失效机制源于固态电解质界面膜(SEI)持续生长导致的锂耗竭以及锂颗粒的隔离现象，这些电化学失活或"死锂"不再参与电化学反应。只有当电解液与阳极金属锂储量充足时，电池循环寿命才能超过300次(图1d和e)。值得注意的是，coin电池实验与实际应用场景之间存在显著差异[13,14](图1f)。此外，高循环速率会加速锂金属表面的电化学反应，加剧锂沉积的不均匀性，从而促进电池失效进程。
为实现实用条件下高能量密度锂金属电池（LMBs），对锂金属负极（LMA）的研究不可或缺。图2总结了阻碍LMA应用的关键问题，解决这些问题的第一步需从LMA自身特性入手。通常，金属锂通过机械压制或电镀方式附着于铜集流体表面。实际工况中，集流体表面不同位点的亲锂性存在差异，导致金属锂与集流体界面处形成间隙。这些间隙阻碍了热量的有效传递，产生不均匀的温度梯度，影响锂的沉积与溶解行为，并加速电池的老化与性能衰减[[15], [16], [17], [18]]。相比之下，自支撑负极材料无需额外添加集流体、粘结剂和导电剂，可直接作为电极材料使用[19]。该材料能提高电极中活性物质的比例，提供更多活性锂，存储更多电能，从而提升锂金属电池的能量密度。
不可否认，厚层锂金属负极(LMA)能显著提升电池的循环性能，但这会导致电池能量密度（特别是体积能量密度）的下降。同时，这也增加了电池的安全风险，不符合实用化锂金属电池(LMBs)的要求[20]。使用薄层LMA有望获得新型高能量密度电池体系，这是由于薄锂层仅占据极小体积或重量比例，它既可作为预锂化正极的锂损耗补偿剂，也可作为非锂化正极的纯负极，从而实现真正的高能量密度[21]。当锂金属厚度从500μm降至50μm时，电池能量密度从220Wh/kg显著提升。−1至450 Wh kg−1 [22]. 与此同时，薄锂金属负极（LMA）能够更好地匹配高比容量正极材料，在追求高能量密度的电池系统中充分发挥正极材料的高能量优势。这对于电动汽车、便携式电子设备等追求高能量密度的电池应用具有重要意义。然而，在薄锂金属电池（LMB）的反复锂化/脱锂过程中，其表面的SEI层会不断破裂与重构，这一过程不仅消耗活性锂和电解液，还会导致有效储锂位点减少，从而引发电池性能衰退与使用寿命缩短[[23], [24], [25]]。与此同时，较薄的LMA加剧了电池内部的极化现象，增加了电极反应的过电位，从而导致电池内阻增大，加速内部材料老化与电池性能衰减[26]。研究表明，引入支架结构与锂金属结合形成复合锂基负极，是调控锂金属沉积/剥离行为的重要手段。通过采用高比表面积的支架结构来稳定锂金属内部，可推动其向低成本、轻量化、高柔性与高能量密度方向发展[27,28]。
由于金属锂存在显著的扩散蠕变、加工黏性和强化学反应活性等问题，导致薄锂箔的机械强度和加工性能下降，已成为制约锂金属电池发展的主要瓶颈。薄锂金属负极的开发需精确控制厚度均匀性、减少表面缺陷、增强枝晶生长抗性，同时应对机械可加工性及与规模化生产工艺兼容性等挑战[29]。本文从物理与化学技术角度综述了当前纯薄锂金属负极(LMA)的制备策略，着重指出将导电-介电支架整合至LMA中是实现高性能LMA的一种简单且经济高效的策略。此类复合支架结构不仅能降低局部电流密度并均衡电场分布，从而促进锂金属的均匀成核与沉积，还可显著缓解锂枝晶生长与体积膨胀问题。更重要的是，在低电解液量/容量比(E/C)与低负极/正极容量比(N/P)等实际工况下，该策略为提高锂利用率与抑制失效机制提供了可行解决方案。最后，本文还探讨了锂金属电池(LMBs)的应用前景与潜力，为LMBs的实际应用提供了启示。
