无负极锂电池新突破！能量密度是锂电池2倍，成本低25%

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【无负极锂电池新突破！

能量密度是锂电池2倍，

成本低25%】

当飞行汽车、电动飞机等未来交通工具的构想屡屡点燃公众想象，一个关键制约因素始终横亘在现实与理想之间，那就是电池的能量密度。

而一度被视为锂电池“圣杯”的无负极锂金属电池，虽兼具高能量密度、低成本、易组装等诱人优势，却因循环寿命极短的致命缺陷，数十年来始终停留在实验室原型阶段。

如今，这一困局有望被中国科学家打破。

3月18日，西湖大学工学院王建辉团队在《自然》杂志在线发表题为“Planar Li Deposition and Dissolution Enable Practical Anode-Free Pouch Cells”的论文，宣布通过创新研制的“穿梭耦合电解液”（BAFF电解液），成功实现了锂金属高度同步的平面沉积与溶解，彻底突破了无负极锂金属电池循环寿命短这一关键瓶颈。

在没有任何集流体修饰和外源补锂的条件下，这款无负极锂金属软包电池的能量密度达到惊人的508Wh/kg和1668Wh/L，而当前传统商用电池能量密度不足280瓦时每千克。

此外，该电池在80%放电深度下稳定充放电循环突破350次，支持2650W/kg超高功率下持续放电超过130秒，工作温域宽达-40℃至60℃，同时单位瓦时成本相比商用石墨基锂离子电池还可降低15%至25%。

图说：王建辉团队研制的508 Wh/kg无负极锂金属软包电池样品

来源：西湖大学

无负极锂金属电池之所以被称为锂电池界的“圣杯”，在于其设计理念的极致简约——制造时舍弃任何负极活性材料，仅保留一块铜箔作为负极集流体。

这种设计极大减轻了电池的质量和体积，没有了预装的昂贵且活泼的锂金属，成本更低也更安全，同时拆掉了厚重的石墨电极，能量密度得以大幅提升。

然而，这一“圣杯”数十年来始终难以实用化，根源在于其循环寿命极短。

首次充电时，锂离子要在铜箔上“从零开始”沉积生长，如果铜箔表面只有少数几个点能成核，锂离子就会往那几个点聚集，堆出几根大“枝晶”。

与常规锂金属电池不同，无负极电池的锂全部来自正极，总量固定，没有额外的锂源补充。一旦形成枝晶，便会陷入恶性循环：枝晶与电解液发生副反应，消耗本就有限的锂；枝晶从根部断裂，变成无法再参与充放电的“死锂”。

针对这些难题，王建辉团队展开了持续研究。

2020年，该研究第一作者、团队成员刘磊发现一类含酰胺基团的溶剂表现突出。用它配成的电解液在纽扣电池中测试时，锂金属的沉积/溶解效率显著高于对照组，还能支持高电压锂金属电池稳定循环。

以此为突破点，研究团队经反复优化最终研制出穿梭耦合电解液。

这种电解液能在负极表面形成一层约8纳米厚、亚纳米级均匀的固态电解质界面膜，既能让锂离子均匀进出，又能适应锂金属的膨胀收缩变化而不破裂，从而实现平面沉积溶解，，从根源上避免“枝晶”产生，大幅减少副反应和“死锂”形成。

团队通过质谱滴定分析证实，在电池长循环后的容量损失中，“死锂”仅占3.5%，远低于其它先进电解液，平均每圈“死锂”增长率低至0.001mAh/cm²，有力印证了平面沉积/溶解机制的有效性。

这一成果不仅为研发超越“嵌入化学”机制的高性能金属电极开辟了新路径，更意味着向极高能量密度电池的大规模量产迈出了坚实一步。

（来源：西湖大学、科技日报；整理：Bell）

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