摘要：锂金属凭借 3860 mAh/g 的理论比容量和 -3.04 V 的低电极电势，被视为实现 500 Wh/kg 以上能量密度电池的理想负极材料。然而，传统平面锂箔电极的电化学反应活性面积有限、锂成核过电位高，且反应活性位点匮乏，导致锂沉积时锂离子局部富集、极化
【研究背景】
锂金属凭借 3860 mAh/g 的理论比容量和 -3.04 V 的低电极电势，被视为实现 500 Wh/kg 以上能量密度电池的理想负极材料。然而，传统平面锂箔电极的电化学反应活性面积有限、锂成核过电位高，且反应活性位点匮乏，导致锂沉积时锂离子局部富集、极化加剧，进而引发锂枝晶生长和界面失效，严重制约了锂金属电池的实际应用。因此，开发兼具高反应活性面积、低极化和稳定界面的锂金属负极，是突破锂金属电池快充与长循环瓶颈的关键研究方向。
【工作简介】
基于以上问题，华中科技大学孙永明教授课题组在国际知名材料期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Fast-charging high-energy-density lithium metal pouch cells achieved through the in situ formation of inter-bridged micrometer-scale Li-Al alloy architecture”的研究论文。团队提出了一种原位自构建微米级桥接 Li-Al 合金结构的策略，在薄锂箔表面形成了具有三维结构的 Li9Al4 合金层。通过锂与铝箔的短路接触引发自放电反应，原位生成具有丰富活性位点和高比表面积的 Li9Al4 合金层，显著提升了锂沉积/溶解的动力学性能以及锂金属软包电池在快速充电时的容量发挥。这一设计为高能量密度锂金属电池的实际应用提供了新思路。
【内容表述】
在本研究中，作者通过锂箔与超薄铝箔在电解液环境中短路接触引发快速自放电，促使接触合金化反应并原位在锂箔生成 Li9Al4合金层。Li9Al4合金层独特的微米级桥接结构不仅提供了丰富的锂成核/生长位点，还增加了电化学反应活性面积，有效降低了实际电流密度，抑制了快充时的锂枝晶生长。同时，其孔隙结构也可容纳锂沉积时的体积变化。与传统平面锂箔相比，Li/Li9Al4负极的锂成核过电位显著降低（10 mA/cm2 时仅110 mV；纯锂为356 mV）。Li/Li9Al4负极在锂沉积/溶解循环时，电压极化仅为199 mV（10 mA/cm2），而纯Li高达311 mV。该Li-Al结构设计实现了在高电流密度下低极化、致密的锂沉积行为，有利于锂金属电池在快充条件下的容量发挥。研究团队成功制备了安时级的锂金属软包全电池，证实了原位构建Li9Al4合金结构的可行性。Ah级的 NCM622||Li/Li9Al4电池在 3 C 充电电流下，20 分钟快充即可获得 84% 的容量。在低负极/正极容量比（N/P=1.25）和低电解液/容量比（E/C=1.7 g/Ah）下，容量为5.6 Ah 的 NCM811||Li/Li9Al4软包电池首次放电时能量密度为526 Wh/kg，且在 80 次循环后容量保持率达 97.4%，显著优于纯锂箔负极电池。该策略通过锂金属箔表面合金化原位构建具有三维结构的锂合金功能层，更易与现有电池制造工艺兼容，降低了生产成本。
具体内容如下：
图1展示了与平面结构的锂箔相比，原位形成的具有三维结构的 Li9Al4合金层提供了丰富的亲锂反应位点和三维多孔框架。这种结构不仅增加了电化学反应面积，降低实际电流密度，还为锂沉积提供了均匀的成核位点和内部空间，使锂能够以致密、平整的方式沉积。这有助于有效抑制快速锂沉积时的枝晶生长，从而降低电压极化，提高锂金属电池的充放电效率和循环稳定性。
图2展示了 Li/Li9Al4电极的制备过程以及结构与物相表征。通过SEM、EDX、XRD、AES以及HRTEM等多种表征手段观察了Li9Al4合金层的结构和形貌，并验证了原位形成的桥接微米级 Li-Al 合金结构的物相和均匀性。
图3对比研究Li/Li9Al4与纯Li电极的锂沉积行为。Li/Li9Al4电极锂成核过电位显著低于纯Li电极，10 mA/cm2时仅110 mV，利于均匀成核；其电化学活性面积显著增大，双电层电容为纯Li电极7倍，界面阻抗降低，反应动力学加快。 SEM显示Li/Li9Al4负极表面的锂沉积物长/径（L/D）比约1.5，而纯Li电极表面沉积物的L/D比随电流升高急剧增大，枝晶生长更为严重。这表明，该三维Li9Al4合金结构有效地抑制了快速锂沉积时的枝晶形成，为锂金属电池的高性能提供了重要的实验结果支持。
图4Li/Li9Al4与纯Li电极的快速充放电性能对比。在对称电池中，Li/Li9Al4在10 mA/cm2下电压极化为199 mV，远低于纯Li的311.4 mV。全电池搭配NCM622正极时，与1C相比，3C充电容量可达86%，而搭配纯Li负极的电池仅为70%，恒流充电贡献76%容量（纯Li为63%）；各电流下电压极化均更低，3C时极化减少118 mV。具有三维结构的Li9Al4合金层通过增大活性面积、以及反应活性位点，降低了电池快速充放电时的极化，显著提升了电池快速充放电能力。
图5展示了使用Li/Li9Al4负极的Ah级软包全电池在快充和循环性能。容量为1Ah NCM622电池实现充电20分钟（3C）后可充至84%的容量，在循环340次循环容量保持率为80.6%。5.64Ah NCM811电池能量密度为526 Wh/kg，在低负极/正极容量比（1.25）和低电解液用量（1.7 g/Ah）条件下，80次循环后容量保持率仍达97.4%，电压极化仅增加8 mV。该研究通过原位形成的桥接微米级Li9Al4合金结构，在安时级锂金属软包全电池中实现了快充能力与循环稳定性的协同提升，为高能量密度电池的实际应用奠定了技术基础。
【文献详情】
Xiancheng Wang1, Zihe Chen1, Wenyu Wang, Renming Zhan, and Yongming Sun，Fast-charging high-energy-density lithium metal pouch cells achieved through the in situ formation of inter-bridged micrometer-scale Li-Al alloy architecture（2025）.
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来源：科技透视镜