研究背景

鋰離子電池推動了消費電子產品的發展，加速了電動汽車的普及。但是目前的鋰離子電池技術仍難以滿足重型車輛和電動飛行器等領域的要求。固態電池(SSBs)使用固態電解質(SSE)取代液體電解質，可以使用更安全更高容量的電極(如鋰金屬)，從而展現出能量密度比現有的鋰離子電池高出50%的巨大優勢。此外，SSBs在避免易燃方面，即改進安全性方面，也具有極大的優勢。然而，鋰金屬陽極提供了卓越的能量密度的同時，鋰箔嚴格的制備環境，需要高昂的成本。無陽極SSB為這一問題提供了一個潛在的解決方案，同時實現了更高的能量密度。“無陽極”這一術語指的是在電池組裝時負極沒有額外的鋰金屬存在。這種架構也被稱為“無負極”、“無儲鋰”或“零鋰”。

在無陽極SSB中，完全鋰化(放電)的陰極活性材料，如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，與負極SSE界面處不存在過量鋰金屬的集流體配對。金屬鋰在充電時被鍍在集流體上，放電時被剝離。由于某些固態電池與鋰金屬具有良好的界面穩定性，并且固體-電解質界面相(SEI)的形成在空間上仍然局限于該平面界面，因此無陽極SSB可以說比無陽極液態電池更有前途，因為無陽極液態電池在每個充放電周期中都傾向于持續形成SEI。

常規鋰過量SSBs的性能在很大程度上取決于鋰SSE界面的動態演變。在電池放電過程中，鋰從界面上被移除(剝離)，如果這個過程發生得太快，無法補充耗盡的鋰，就會形成空隙，導致界面接觸損失和高阻抗。這種形式的界面接觸損失發生在固態電池中，而不在液態電解質電池中發生，它會強烈影響循環行為。在隨后的充電中，不完美的接觸會導致不均勻的鋰沉積，在空隙周圍的電流濃度會導致枝晶和絲狀生長，從而穿透SSE并導致短路。

與鋰過量SSBs一樣，無陽極SSBs的行為在很大程度上取決于界面演化和降解現象。然而，與鋰過量的情況相反，無陽極系統對其他因素敏感。空間均勻的鍍鋰和剝離鋰是防止循環過程中電流濃度的理想選擇。為了實現高能量密度和長循環壽命，無陽極電池的庫侖效率(CE)應該非常高(>99.95%)，因為系統中沒有多余的鋰來補充任何因副反應而損失的鋰。這些因素都與無陽極SSBs的基本電化學力學現象有關。成果簡介

近日，來自佐治亞理工學院的Matthew T. McDowell?等研究者在Nature Materials期刊發表了題為“Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries”的論文，該項研究概述了在無陽極固態電池中控制鋰成核、生長、剝離和循環的因素，包括鋰的機械變形、集流體的化學和機械性能、微觀結構效應和剝離動力學。討論了工程接口最大化性能和延長電池壽命的途徑。最后，作者提出了一些關鍵的研究問題，包括了解低堆疊壓力下的行為，調整界面生長，以及設計電流收集器和中間層。

圖1 SSBs的結構。 2025 Springer Nature Limited

圖2 影響無陽極固態電池中鋰初始沉積的因素。 2025 Springer Nature Limited

圖3 影響無陽極固態電池充放電循環行為的因素。 2025 Springer Nature Limited

圖4無陽極固態電池中沉積鋰的表征。 2025 Springer Nature Limited

總結與展望

與鋰電池相比，無陽極固態電池在推進儲能技術方面具有巨大的潛力，具有優越的能量密度和易于制造的特點。盡管近年來在理解行為方面取得了進展，但無陽極SSBs的科學和技術仍處于發展的早期階段。

該項成果概述了控制無陽極固態電池中鋰沉積、剝離和循環的因素，強調電化學和力學之間的相互作用如何在決定行為中起關鍵作用。使用高堆疊壓力和溫度來提高性能相對容易，但是也需要關注低堆壓(< 1mpa)對材料演變的影響。此外，由于蠕變可以依賴于沿微觀結構特征的擴散，因此對鋰的微觀結構控制可以提高蠕變速率。并且，鋰中的雜質可能在剝離過程中積聚在界面上或影響鋰的微觀結構。需要進一步了解鋰原子雜質對無陽極固態電池循環行為的影響。由于界面質量的重要性，電池組裝方法在決定電池性能方面也起著至關重要的作用。

未來的策略可能側重于調整相間層，以最大限度地減少鋰的消耗。這可以通過在鋰沉積前將集流體保持在可控電位來改變界面形成，通過修改SSE表面成分或添加薄的“人工SEI”層來實現。另一個提高性能的策略是在剝離結束時對電流和電壓進行閉環反饋控制，以精確控制材料的演變。設計負極集流體或SSE的界面微觀結構來促進有效的鋰循環也是有效的。最后，應用原位operando表征來提高對操作和降解模式的理解將繼續對該技術的發展至關重要。