無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池因其在電動(dòng)汽車、無(wú)人機(jī)和下一代高性能電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景而備受關(guān)注，其能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋰離子電池。然而，其壽命短一直是商業(yè)化面臨的一大難題。據(jù)外媒報(bào)道，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研究人員突破以往需要頻繁更換電解液的傳統(tǒng)方法，僅通過(guò)電極表面設(shè)計(jì)就成功顯著延長(zhǎng)電池壽命。

圖片來(lái)源：期刊《焦耳（Joule）》（2025）

由化學(xué)與生物分子工程系Jinwoo Lee教授和Sung Gap Im教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)在電極表面引入厚度僅為15納米（nm）的超薄人工聚合物層，從根本上解決無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池最大的缺陷——界面不穩(wěn)定性問(wèn)題。研究結(jié)果發(fā)表于期刊《焦耳（Joule）》。

無(wú)陽(yáng)極電池的工作原理

無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅使用銅集流體代替石墨或鋰金屬作為陽(yáng)極。這種設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，能量密度提高30%至50%，制造成本更低，工藝流程也更簡(jiǎn)化。然而，在初始充電過(guò)程中，鋰會(huì)直接沉積在銅表面，迅速消耗電解液并形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），從而導(dǎo)致電池壽命急劇下降。

研究團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有改變電解液成分，而選擇從根本上重新設(shè)計(jì)電極表面，從而解決問(wèn)題。研究人員利用引發(fā)式化學(xué)氣相沉積（iCVD）工藝在銅集流體上形成一層均勻的超薄聚合物層，發(fā)現(xiàn)該聚合物層能調(diào)節(jié)與電解液的相互作用，從而精確控制鋰離子傳輸和電解液分解的路徑。

在傳統(tǒng)電池中，電解液溶劑分解后會(huì)形成柔軟且不穩(wěn)定的有機(jī)SEI層，導(dǎo)致鋰沉積不均勻，并促進(jìn)尖銳針狀枝晶的生長(zhǎng)。相比之下，本研究中開發(fā)的聚合物層不易與電解液溶劑混合，導(dǎo)致鹽組分而非溶劑分解。因此，形成一種剛性且穩(wěn)定的無(wú)機(jī)SEI膜，從而抑制電解液的消耗和SEI膜的過(guò)度生長(zhǎng)。

機(jī)制及工業(yè)應(yīng)用潛力

研究人員利用原位拉曼光譜和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬，揭示電池運(yùn)行過(guò)程中電極表面形成富陰離子環(huán)境的機(jī)制，進(jìn)而促成了穩(wěn)定的無(wú)機(jī)SEI膜的形成。

該技術(shù)僅需添加一層薄薄的表面層，無(wú)需改變電解液成分，因此與現(xiàn)有制造工藝具有高度兼容性，且成本負(fù)擔(dān)極低。尤其值得一提的是，iCVD工藝能夠?qū)崿F(xiàn)大面積連續(xù)卷對(duì)卷生產(chǎn)，使其適用于實(shí)驗(yàn)室以外的工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。

Jinwoo Lee教授表示：“除了開發(fā)新材料之外，這項(xiàng)研究的意義還在于它提出了一種設(shè)計(jì)原則，展示了如何通過(guò)電極表面工程來(lái)控制電解質(zhì)反應(yīng)和界面穩(wěn)定性。這項(xiàng)技術(shù)可以加速無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池在下一代高能量電池市場(chǎng)的商業(yè)化應(yīng)用，例如電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）。”