清華新聞網(wǎng)3月25日電 鋰金屬電池被視為最有潛力的下一代儲(chǔ)能技術(shù)之一。然而，鋰金屬負(fù)極在充放電過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的枝晶生長(zhǎng)，不僅會(huì)導(dǎo)致電池短路引發(fā)安全隱患，還會(huì)造成死鋰堆積縮短電池壽命。雖然固態(tài)電解質(zhì)被認(rèn)為可以解決這一難題，但仍難以完全抑制鋰枝晶沿晶界或缺陷處的生長(zhǎng)。如何從根本上調(diào)控鋰的沉積行為，實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶均勻沉積，是當(dāng)前鋰金屬電池實(shí)用化面臨的重大挑戰(zhàn)。
圖1.面向無(wú)枝晶鋰金屬電池的固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）設(shè)計(jì)
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院周光敏副教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種“將鋰限制在連續(xù)成核狀態(tài)”的全新策略，通過(guò)設(shè)計(jì)并合成具有高粘附性的聚合物電解質(zhì)，從根本上限制鋰枝晶的生長(zhǎng)。該研究揭示了聚合物與鋰晶面相互作用對(duì)沉積形貌的調(diào)控機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)高安全、長(zhǎng)壽命的鋰金屬電池提供了新的解決方案。
研究團(tuán)隊(duì)受自然界中冰晶生長(zhǎng)調(diào)控機(jī)制的啟發(fā)，基于Bliznakov-Chernov晶體生長(zhǎng)模型，合成了一種基于聚3-丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷（PAMD）的高粘度固態(tài)聚合物電解質(zhì)。該電解質(zhì)對(duì)鋰金屬表面具有極強(qiáng)的親和力，粘附力高達(dá)315.6 nN，能夠有效抑制易形成枝晶的高指數(shù)晶面的生長(zhǎng)。這種強(qiáng)相互作用迫使鋰沉積始終保持為球形顆粒狀，并促進(jìn)其在界面處的連續(xù)再成核。這種“顆粒堆積”的沉積模式有效避免了尖端效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了致密且無(wú)枝晶的鋰金屬負(fù)極。
圖2.鋰–SPE界面接觸狀態(tài)對(duì)鋰負(fù)極腐蝕行為及鋰–硫電池電化學(xué)性能的影響
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于該策略設(shè)計(jì)的固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在室溫下，該電解質(zhì)可通過(guò)高達(dá)9.0 mA cm-2的超高臨界電流密度（CCD），并展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在0.2 mA cm-2電流密度下能夠穩(wěn)定進(jìn)行鋰沉積/剝離循環(huán)長(zhǎng)達(dá)4500小時(shí)。在1C的倍率下，電池可以穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)500次。此外，將該電解質(zhì)應(yīng)用于固態(tài)鋰硫軟包電池中，在35°C下實(shí)現(xiàn)了10mg cm-2的超高硫面載量，并保持了良好的活性物質(zhì)利用率。
通過(guò)調(diào)控界面粘附力來(lái)改變晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，這一連續(xù)成核調(diào)控策略的設(shè)計(jì)思路，證明了在高粘度聚合物環(huán)境中限制鋰生長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶沉積的有效途徑。該工作闡明了聚合物-金屬界面的相互作用機(jī)理，展示了該策略在實(shí)用化高能量密度電池中的巨大潛力，為固態(tài)電池電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了新的視角與思路。
研究成果以“將鋰限制在連續(xù)成核狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶固態(tài)鋰金屬電池”（Confining Lithium in a Continuous Nucleation State for Dendrite-Free Solid-State Lithium Metal Batteries）為題，于3月23日發(fā)表于《自然·合成》（Nature Synthesis）。
周光敏、成會(huì)明為論文通訊作者。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2025屆博士畢業(yè)生李闖、已出站博士后盧功勛（現(xiàn)為中國(guó)計(jì)量大學(xué)特聘研究員、副研究員）、2025屆碩士畢業(yè)生吳羨為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科技創(chuàng)新局等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44160-026-01010-x
供稿：深圳國(guó)際研究生院
圖片設(shè)計(jì)：李秦圩
編輯：李華山
審核：郭玲
