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研究背景

固態(tài)電池（SSBs）作為一種新型電池技術，因其具備優(yōu)異的能量密度、安全性及循環(huán)壽命等特性，已成為電動汽車等領域的重要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的液態(tài)電池相比，固態(tài)電池通過使用固態(tài)電解質替代液態(tài)電解質，能夠實現(xiàn)更高的能量密度，特別是在采用金屬鋰負極的情況下，理論能量密度可比現(xiàn)有鋰電池高出50%。此外，固態(tài)電池在避免電解液易燃性問題方面具有獨特優(yōu)勢。然而，在電池的循環(huán)充放電過程中，鋰金屬的沉積與剝離及界面穩(wěn)定性等問題，依然是固態(tài)電池技術發(fā)展中的重大挑戰(zhàn)。

無負極固態(tài)電池不同于傳統(tǒng)的鋰過量固態(tài)電池，其在制造時并不在負極處存在活性鋰材料，而是通過充電過程中鋰金屬在電流收集器上沉積并在放電時剝離，從而實現(xiàn)高能量密度。這種結構避免了金屬鋰箔的使用，減少了制造成本和復雜度，同時在理論上可進一步提升能量密度。然而，這種電池的充放電機制與傳統(tǒng)的鋰過量固態(tài)電池存在顯著差異，尤其是固態(tài)電解質與電流收集器之間的固-固界面上的電化學與機械效應，對于電池的循環(huán)穩(wěn)定性和性能至關重要。

成果簡介

為了解決這一問題，美國佐治亞理工學院Stephanie Elizabeth Sandoval, Matthew T. McDowell等以及密西根大學Catherine G. Haslam等教授在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為“Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries”的最新見解。

該團隊系統(tǒng)概述了鋰金屬在無負極固態(tài)電池中的成核、沉積、剝離及循環(huán)行為，提出了影響鋰金屬形貌及界面穩(wěn)定性的多重因素。他們通過調節(jié)堆疊壓力、電流密度、溫度等實驗條件，研究了這些因素對鋰沉積過程及其穩(wěn)定性的影響。此外，研究人員利用先進的界面工程技術，提出了改善鋰沉積均勻性與延長電池壽命的潛在路徑。這一系列研究成果，為無負極固態(tài)電池的進一步發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)和技術路線。

研究亮點

1. 實驗首次提出無陽極固態(tài)電池（Anode-Free Solid-State Batteries, AFSSB）的概念，并通過該電池設計，展示了不使用負極活性物質的優(yōu)越性。該設計通過在充電過程中在當前收集器上沉積金屬鋰，并在放電過程中去除鋰金屬，實現(xiàn)了高能量密度的儲能系統(tǒng)。

2. 實驗通過對無陽極固態(tài)電池的電化學反應機制進行深入分析，揭示了鋰金屬沉積和剝離過程中的電-化學-機械現(xiàn)象的復雜性。研究表明，鋰的形態(tài)與沉積/剝離的均勻性密切相關，且這些行為受到界面接觸、鋰金屬沉積的局部化學環(huán)境、以及施加的堆疊壓力等因素的影響。

3. 實驗通過對堆疊壓力、當前收集器厚度、溫度等影響因素的調節(jié)，改善了電池的鋰沉積行為。研究發(fā)現(xiàn)，較高的堆疊壓力能夠促進鋰的均勻沉積，而較薄的當前收集器則可能導致機械失效，影響電池的循環(huán)性能。

4. 研究提出通過優(yōu)化固態(tài)電解質與當前收集器的界面接觸及其機械性能，能有效提高無陽極固態(tài)電池的循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度。同時，提出了需要進一步探索的研究問題，如低堆疊壓力下的電池行為、界面生長調控和當前收集器及中間層的工程優(yōu)化。

圖文解讀

圖1: 全固態(tài)電池SSB的結構。

圖2: 影響無陽極全固態(tài)電池SSB中，鋰初始沉積因素。

圖3: 影響無陽極全固態(tài)電池SSB的充電/放電循環(huán)行為因素。

圖4: 無陽極全固態(tài)電池SSB中，析出鋰表征。

總結展望

低堆疊壓力下的無陽極固態(tài)電池操作是一個關鍵挑戰(zhàn)。雖然高堆疊壓力和高溫能提升性能，但低堆疊壓力條件下材料的演變機制尚不明確，因此，研究低壓力下的材料行為及其微觀結構控制至關重要。其次，鋰的純度對無陽極固態(tài)電池的循環(huán)性能具有重要影響。鋰沉積過程中，雜質可能在界面上積累并影響鋰的微觀結構，因此，優(yōu)化鋰的純度及控制原子級雜質的影響是提升電池性能的關鍵。

此外，電池組裝過程中的界面質量和材料處理工藝直接影響電池的長周期穩(wěn)定性。未來的研究可聚焦于開發(fā)高效的界面粘附層和優(yōu)化電流收集器的設計，以提升循環(huán)穩(wěn)定性和降低鋰消耗。總之，本文強調了界面控制、材料純度和堆疊壓力對無陽極固態(tài)電池發(fā)展的重要性，未來的研究應更多關注這些因素的協(xié)同作用。

文獻信息

Sandoval, S.E., Haslam, C.G., Vishnugopi, B.S. et al. Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries. Nat. Mater. (2025).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2025/01/06/1d57e9644c/

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