告别“压力山大”：中国科学家为固态电池找到破局之道

在追求更安全、更高能量密度电池的道路上，全固态锂电池被视为最有希望的“明日之星”。然而，这颗新星却一直受困于一个看似简单却难以解决的问题——它必须依赖巨大的外部压力才能正常工作。就像一块需要持续挤压才能释放液体的海绵，这种对高压力的依赖不仅增加了制造难度，也限制了实际应用。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的研究团队，近期发表的两项研究成果，为破解这一难题提供了创新方案。通过设计“拓扑强化负极”和“动态自适应界面”，他们让全固态锂电池在几乎零外压的条件下实现了稳定循环，为这一前沿技术的实用化铺平了道路。

固态电池的“紧箍咒”：压力依赖症

全固态金属锂电池的吸引力显而易见。相比传统锂离子电池使用的液态电解质，固态电解质不易燃、不易泄漏，大大提升了电池的安全性。同时，金属锂作为负极材料，拥有高达3860 mAh/g的理论容量和最低的电极电位，能够显著提高电池的能量密度。这种安全性和能量密度的双重优势，使得全固态锂电池成为电动汽车和大规模储能系统的理想选择。

然而，固态电池有一个“阿喀琉斯之踵”——固体与固体之间的接触问题。在传统锂离子电池中，液态电解质可以像水一样自由流动，轻松填充电极和隔膜的所有空隙，不需要额外的压力。但固态电解质是刚性的，无法自行适应电极表面的微观起伏。因此，在电池组装、形成和循环过程中，都需要施加较高的外部压力来维持固-固接触。

这种压力依赖带来了一系列问题。当压力过高时，质地相对柔软的金属锂会发生蠕变，逐渐渗入固态电解质的孔隙和裂纹中，最终形成贯穿整个电解质层的导电通路，导致电池短路。研究表明，在几十兆帕的压力下，这种“压力诱导的锂侵入”问题尤为严重，电池在组装后可能立即因短路而失效。另一方面，如果压力过低，固-固界面接触不良，会导致接触电阻增大、锂离子传输受阻，电池性能急剧下降。更糟糕的是，金属锂负极在充放电过程中会经历显著的体积变化，进一步加剧了界面接触的恶化。

这种对压力的“窄窗口”要求，使得固态电池的制造和运行都面临巨大挑战。传统锂离子电池的工作压力通常小于1兆帕，而许多固态电池系统需要5-50兆帕甚至更高的压力。如此高的压力不仅增加了电池包的重量和复杂性，也限制了电池在实际应用中的灵活性。

拓扑强化负极：为锂金属编织“护甲”

针对金属锂负极的压力敏感性和体积效应问题，研究团队提出了“拓扑强化负极”（TFA）的创新概念。这一设计的核心思想，是通过引入一个三维骨架结构，在保持高容量的同时赋予负极更强的机械稳定性和更好的锂离子传输性能。

研究团队选择了锂-硼合金体系来实现这一设想。他们制备的拓扑强化负极由三维纤维状Li5B4骨架和约60%的“自由”金属锂相组成。Li5B4骨架形成了一个连续的三维网络，纤维直径在100-400纳米之间，这种精细的骨架结构不仅提供了优异的机械支撑，更重要的是创造了快速的锂扩散通道。

这种设计带来了多重优势。首先是机械强度的显著提升。原子力显微镜测试显示，纯锂金属的DMT模量（一种表征材料机械性能的参数）仅约6.5 GPa，而TFA骨架的模量达到10-50 GPa，整体TFA材料的模量也提升至约12.8 GPa。这种增强的机械强度使得TFA在高达50兆帕的压力下仍能保持结构完整性，不会像纯锂那样发生蠕变和侵入电解质。

其次是锂离子传输的加速。密度泛函理论计算和分子动力学模拟揭示，Li5B4骨架具有优异的亲锂性——锂原子在Li5B4表面的吸附能为-6.24 eV，远低于在纯锂表面的-1.56 eV。这意味着锂离子更倾向于在骨架表面沉积。更令人惊讶的是，Li5B4骨架内的锂原子扩散系数比纯锂高出一个数量级，达到2.4×10⁻¹⁰ cm²/s。骨架中的硼原子通过形成连续的长链簇结构，为锂离子创造了有序的传输通道，将表面的锂“沉积/剥离”过程转变为沿着亲锂骨架的快速扩散输运行为。

最关键的是体积效应的大幅降低。在相同的电化学测试条件下，TFA电极的厚度变化仅为约10微米，而纯锂电极的厚度变化达到约25微米——TFA的体积变化率仅为纯锂的40%。这种近乎零的体积变化，源于TFA独特的工作机制：在锂脱出过程中，三维骨架结构保持完整，释放的空间以孔隙的形式保留在骨架之间；而在锂沉积过程中，锂优先填充这些预留的孔隙，而不是在表面无序堆积。X射线计算机断层扫描（CT）清晰地展示了这一过程：初始孔隙率为6.6%的TFA，在脱出5 mAh/cm²的锂后，孔隙率增至25.7%，孔径从2微米扩大到7微米；随后的锂沉积过程使孔隙率降至7.1%，孔径回到约2微米，整体厚度基本保持不变。

这种设计使得TFA在对称电池测试中展现出优异性能。临界电流密度——衡量电极承受高功率工作的能力——达到5.8 mA/cm²，是纯锂电极的3.6倍。在2 mAh/cm²的面容量下，TFA对称电池稳定循环超过6000小时，极化电压仅从初始的10 mV缓慢增长到5000小时后的20 mV。更重要的是，这种性能在0-50兆帕的宽压力范围内都能保持，为实现低压甚至零压运行奠定了基础。

高性能全固态锂电池（ASSLBs）中拓扑增强阳极（TFA）材料的设计概念。

(a) 传统液态电解质锂离子电池（LIBs）；

(b) 采用嵌入型正极材料的典型全固态锂电池（ASSLBs）；

(c) 含有转化型正极材料的新型全固态锂电池。

(d)， ASSLBs 对阳极材料的具体要求，包括 DMT 模量、氧化还原电位及理论比容量。对比展示了代表性阳极材料的数据。

(e)， 所提出的典型 TFA 材料示意图，展示其骨架拓扑结构可在保持优异机械性能的同时，提供离子与电子的非局域化传输通道。

（图片来源：参考文献1）

动态自适应界面：电池的“智能黏合剂”

拓扑强化负极解决了负极本身的机械稳定性和体积效应问题，但固-固界面接触的挑战依然存在。负极和固态电解质之间的“先天缺陷”——组装时不可避免的微观间隙，以及循环过程中因体积变化导致的接触失效，仍然是制约电池性能的关键因素。

研究团队提出了一个大胆的想法：与其被动地依赖外部压力维持接触，不如让界面主动适应变化。他们开发的“动态自适应界面”（DAI）策略，通过在固态电解质中预置可迁移的阴离子，利用电化学过程在界面原位形成一层能够动态调节的保护层。

这一策略的实现基于对固态电解质中离子迁移行为的深入理解。通常认为，在锂离子导体中，只有锂离子能够移动，阴离子被固定在晶格位点上。但研究团队通过键价模拟方法，系统筛选了大量含锂化合物的结构，寻找那些阴离子和锂离子具有相近迁移能垒的材料。他们发现，在Li3PS4体系中掺杂碘化锂（LiI）后，碘离子的迁移能垒与锂离子接近，能够实现可控的阴离子迁移。

分子动力学模拟证实了这一设想。在Li3.2PS4I0.2电解质中，600 K温度下，锂离子的扩散系数为1.4×10⁻⁵ cm²/s，而碘离子的扩散系数也达到1.5×10⁻⁶ cm²/s，仅比锂离子低一个数量级。更重要的是，硫离子主要围绕磷离子作旋转运动，磷-硫键保持稳定，不会发生长程迁移；而碘离子则能够从一个间隙位置迁移到相邻的间隙位置，实现长程传输。这种独特的离子动力学特征，为构建动态自适应界面提供了理论基础。

在实际电池系统中，DAI的形成过程充满了巧妙的设计。当对电池施加充电电流，锂从负极脱出时，负极表面产生的锂离子在电场驱动下向正极方向迁移，而电解质中的碘离子则在同一电场的作用下向负极方向迁移。两种离子在负极-电解质界面相遇，原位形成碘化锂层。原位X射线光电子能谱（XPS）实验清晰地捕捉到了这一过程：在锂脱出过程中，界面处出现了锂离子和碘离子的特征信号，而硫和磷的信号（来自电解质）则消失，证明形成的碘化锂层厚度足以覆盖界面。

这层碘化锂并非简单的固定涂层，而是真正“动态”和“自适应”的。扫描电镜观察显示，在锂脱出过程中，即使负极表面形成了微米级的凹陷和空隙，碘化锂层也能逐渐填充这些空隙，保持与电解质的紧密接触。这种“章鱼般”的行为源于碘化锂独特的性质：它既具有足够的离子导电性（约10⁻⁷ S/cm），允许锂离子快速通过，又具有一定的机械柔韧性，能够适应界面形貌的变化。

在随后的锂沉积过程中，DAI继续发挥作用。碘化锂层降低了锂在界面处的成核过电位，促进锂均匀沉积。更重要的是，DAI在电解质和负极之间形成了稳定的化学连接，防止了新的空隙产生。经过多个循环后，DAI的厚度基本稳定在微米级，既不会无限生长消耗过多电解质，也不会因磨损而失效。这种自限性增长特征，确保了界面的长期稳定性。

双剑合璧：迈向零压力的固态电池

当拓扑强化负极与动态自适应界面相结合时，研究团队实现了一个长期以来被认为极具挑战性的目标——在极低甚至零外部压力下稳定运行全固态锂电池。

在全电池测试中，采用TFA负极、Li3.2PS4I0.2电解质和Li4Ti5O12正极的电池，在仅0.6兆帕的压力下展现出卓越性能。这一压力水平与传统锂离子电池相当，远低于大多数固态电池系统所需的5-50兆帕。电池能够承受高达5 C的充放电倍率（1 C对应0.55 mA/cm²），即使在2 C的倍率下，也能稳定循环2400次，容量保持率达到90.7%。充放电曲线显示，即使在2400次循环后，电池的内部极化仅略有增加，说明界面保持了良好的接触状态。

更令人振奋的是软包电池的测试结果。研究团队组装了3厘米×3厘米的软包电池，采用了更接近实际应用的LiCoO2正极。电池首先在20兆帕的压力下进行两次初始循环，让DAI充分形成并覆盖界面；随后完全移除外部压力，电池仍能保持95%的初始容量。在零压力条件下，电池稳定循环300次，容量保持率达到74.4%。这一成果标志着固态电池技术向实用化迈出了关键一步。

在全球“双碳”目标推进与能源结构转型加速背景下，这样的技术创新不仅关乎电池性能的提升，更关乎能源体系的可持续转型。当固态电池不再“压力山大”，当电动汽车能够更安全地行驶更远的里程，当储能系统能够更可靠地支撑可再生能源的大规模应用，我们就能更加自信地说：清洁能源的未来，不再遥不可及。

参考文献：

【1】Zhang X, Yu H, Ben L, Cen G, Sun Y, Wang L, Hao J, Zhu J, Sun Q, Qiao R, Yao X, Zhang H, Huang X. Topology Fortified Anodes Powered High-Energy All-Solid-State Lithium Batteries. Adv Mater. 2025 Jul;37(30):e2506298. doi: 10.1002/adma.202506298. Epub 2025 May 19. PMID: 40384178.

【2】Cen, Guanjun & Yu, Hailong & Xiao, Ruijuan & Ben, Liubin & Qiao, Ronghan & Zhu, Jing & Zhang, Xinxin & Liu, Gaozhan & Jiang, Kemin & Yao, Xiayin & Zhang, Heng & Huang, Xuejie. (2025). Adaptive interphase enabled pressure-free all-solid-state lithium metal batteries. Nature Sustainability. 1-11. 10.1038/s41893-025-01649-y.

出品：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览