王治宇教授团队长寿命准固态无负极电池新突破-大连理工大学化工学院（新）

传统的锂离子电池中，不含活性锂的石墨负极占电池重量与厚度的25 - 40 %以上，是制约电池能量密度的关键因素，但长期以来未得到充分重视。使用超高容量、更轻薄的金属锂代替石墨负极可显著提升电池能量密度。但商业化金属锂箔厚度通常在数百微米以上，在电池中远远过量于正极，造成锂资源浪费并降低电池能量密度。解决这一问题需使用超薄金属锂箔，但高昂的成本使之难以实际应用。将石墨负极材料自电池中去除，通过正极释锂在电池中原位构建超薄金属锂，实现“锂零过量”设计的初始无负极电池体系，不仅可以同步提升电池质量与体积比能量，更可降低电池制造工艺难度与成本，是备受瞩目的新一代变革性高能量、超轻薄电池技术方向。

在无负极锂电池中，除正极外无额外锂源，因此如何缓解因电池副反应、SEI膜形成、死锂产生等问题造成的不可逆锂损失，是发展长寿命无负极电池面临的关键科学问题。在前期工作中，王治宇、邱介山教授团队发展了一类锂含量高达66.67 at.%的高容量硫化锂正极（Nature Commun. 2014,5, 5002、Adv. Energy Mater. 2017, 1700018、Adv. Funct. Mater. 2019,29, 1905986、Energy Environ. Sci. 2021,14, 2278、Science Adv. 2022, eabl8390、Adv. Mater. 2022, 2201981、Adv. Mater. 2023, 2212039、Adv. Funct. Mater. 2023, 2211062），并以之构建了质量比能量>340 Wh kg^–1、体积比能量>1323 Wh L^-1的Ah级准固态无负极软包电池（Nature Commun. 2022, 2022,13, 4415）。

在此基础上，王治宇、邱介山教授团队近日在Advanced Materials发表题为“Long-life quasi-solid-state anode-free battery enabled by Li compensation coupled interface engineering”的研究论文。利用硫化锂作为双功能补锂剂与界面改性剂，提出了一种简便易行的锂补偿耦合界面工程策略，以显著延长无负极锂电池的循环寿命。联用飞行时间二次离子质谱、原位XRD、原位阻抗、原位光学显微分析等技术，揭示了工况条件下准固态无负极电池中的锂补偿反应路径，同时发现这一过程中，硫化锂释放的多硫化物可以诱导负极侧形成富含无机锂硫/氟化物的有机-无机复合SEI膜，从而高效抑制金属锂枝晶与死锂形成。面向实用化电池制造，将这一策略应用于高载量的商业化磷酸铁锂正极（25 mg cm^-2）与无前处理的铜箔负极集流体，创制了循环寿命>500次的准固态无负极锂电池，实现了能量密度300 Wh kg^-1、100次循环容量无衰减的Ah级准固态无负极软包电池制造。联用原位电池热测量技术，揭示了此类准固态无负极软包电池在机械穿刺条件下的优异安全性。这一工作中使用的磷酸铁锂、铜集流体与硫化锂均为未经前处理与纳米化的商业化材料，与现有锂电制造产线兼容性好，易于实现规模化制造。