西湖大學，最新Nature，作者僅4人，所有作者中文署名！

跨電極耦合電解液實現500 Wh/kg無負極鋰電池

在高能量密度電池的競賽中，“無負極鋰金屬電池（AFLMBs）”被視為下一代儲能技術的重要方向。然而，這類電池在實際應用中長期面臨一個核心難題：由于缺乏負極材料和額外鋰源，其循環過程中鋰的沉積與剝離極不穩定，導致壽命短、失效快，始終難以走向實用化。

在此，西湖大學王建輝教授團隊提出一種全新的“跨電極耦合電解液”策略，不僅實現了鋰在無負極體系中的高度可逆沉積/剝離，還成功構建出能量密度高達508 Wh kg?1的實用級軟包電池，為無負極電池走向產業化提供了關鍵突破。相關成果以“Planar Li deposition and dissolution enable practical anode-free pouch cells”為題發表在《Nature》上。劉磊為第一作者。

從“失控生長”到“平面沉積”，鋰金屬行為被徹底改寫

在傳統無負極電池中，鋰的沉積往往呈現出“枝晶”或“苔蘚狀”結構，這種不均勻生長極易引發短路。而在該研究中，團隊首次實現了近乎理想的“平面沉積/剝離”行為（圖1a）。電池在前幾圈循環中庫侖效率迅速提升至接近99.8%，說明鋰的可逆性顯著增強。進一步通過低溫聚焦離子束掃描電鏡（Cryo-FIB-SEM）觀察（圖1b），可以看到沉積的鋰層致密均勻，厚度與理論值高度一致，孔隙率僅1.6%，遠低于對照體系。這意味著鋰不再“無序堆積”，而是形成規則結構。更關鍵的是，在充放電過程中（圖1d–h），鋰顆粒表現出同步的“鼓起—凹陷”變化，類似整體“呼吸”，而非局部崩塌。這種行為表明鋰的溶解遵循二維平面模式，而不是傳統的三維體積收縮，從根本上避免了結構失穩問題。

圖1：展示鋰在電極表面的沉積與剝離行為，從傳統枝晶生長轉變為均勻致密的二維平面沉積

納米級均一SEI，讓界面真正“柔而不亂”

要實現如此穩定的鋰行為，關鍵在于界面——即固態電解質界面（SEI）。研究發現，該電解液形成了一種全新的“富含B–F的聚合物型SEI”（圖2a）。這種SEI厚度僅約8 nm，且為單層無定形結構，均一性達到亞納米級別。相比傳統“有機-無機雙層”SEI，這種結構更加連續、致密。原子力顯微鏡結果（圖2b-e）進一步顯示，其表面粗糙度僅0.7 nm，力學模量分布極窄，說明界面在微觀尺度上幾乎“沒有缺陷”。同時，固態核磁分析（圖2f-h）揭示該SEI以聚合物為主（F、B元素超過70%存在于聚合結構中），而非傳統的LiF無機顆粒主導。這種“柔性+導離子”的特性，使其既能承受鋰體積變化，又能保證離子快速傳輸。最終，這種界面實現了三大關鍵功能：一是高度均勻的離子通量；二是優異的柔韌性；三是快速的Li?傳導能力，從而為二維沉積提供了基礎。

圖2：解析新型聚合物SEI結構，強調其納米級均一性、柔性和高離子導電性。

跨電極耦合機制——電池兩端“協同反應”的新范式

這一體系最具創新性的地方，在于提出了“跨電極耦合界面化學”。傳統電池中，正極和負極的界面反應是彼此獨立的。而在該體系中（圖3g），正極產生的自由基中間體（如?BF?）會遷移至負極，與溶劑分解產物發生耦合反應，從而生成聚合物SEI。通過對比實驗（圖3a-b），當人為阻斷這種“跨界傳輸”時，電池會出現明顯氣體析出，并重新生成傳統LiF主導的SEI，性能迅速下降。這直接證明：優異性能來源于正負極之間的協同作用。同時，核磁共振（圖3d-f）檢測到關鍵中間體在兩極間遷移的證據，進一步驗證了這一機制。這種“跨電極耦合”的概念，突破了傳統界面設計思路，為電解液設計提供了全新方向。

圖3：揭示跨電極耦合反應機制，說明正負極協同作用如何形成優異界面。

性能全面爆發——真正邁向實用化

在性能方面，該電池實現了多個“實用級指標”的突破（圖4）。首先，在100%深度充放電條件下，電池可穩定循環100次，并保持80%容量；在80%深度下，循環壽命提升至250次以上，遠超此前同類體系。其次，其能量密度達到508 Wh kg?1，體積能量密度達1668 Wh L?1，均顯著高于傳統鋰離子電池。更令人驚喜的是，在高倍率條件下，該電池仍具備優異輸出能力：在7C倍率下仍可輸出24%容量，對應功率密度高達2650 W kg?1。此外，該體系在低溫環境下表現同樣出色，在–40℃仍可維持約66%的容量，顯示出極強環境適應能力。從失效機制分析來看，電池中的“死鋰”生成速率極低，僅為傳統體系的1/3甚至1/20，說明結構穩定性得到根本改善。

圖4：展示電池整體性能，包括循環壽命、能量密度、倍率性能及低溫表現。

小結與展望

這項工作通過“跨電極耦合電解液+聚合物SEI”雙重創新，首次在無負極體系中實現了穩定的二維鋰沉積/剝離行為，成功突破了長期制約該技術發展的核心瓶頸。更重要的是，該研究不僅提升了能量密度，還兼顧循環壽命、倍率性能和安全性，為無負極鋰電池從實驗室走向實際應用奠定了堅實基礎。未來，隨著循環壽命和快充性能的進一步優化，這一技術有望在無人機、電動航空甚至電動汽車領域實現應用。