无阳极固态电池，登顶Nature Materials！

研究背景

固态电池（SSBs）作为一种新型电池技术，因其具备优异的能量密度、安全性及循环寿命等特性，已成为电动汽车等领域的重要发展方向。与传统的液态电池相比，固态电池通过使用固态电解质替代液态电解质，能够实现更高的能量密度，特别是在采用金属锂负极的情况下，理论能量密度可比现有锂电池高出50%。此外，固态电池在避免电解液易燃性问题方面具有独特优势。然而，在电池的循环充放电过程中，锂金属的沉积与剥离及界面稳定性等问题，依然是固态电池技术发展中的重大挑战。

无负极固态电池不同于传统的锂过量固态电池，其在制造时并不在负极处存在活性锂材料，而是通过充电过程中锂金属在电流收集器上沉积并在放电时剥离，从而实现高能量密度。这种结构避免了金属锂箔的使用，减少了制造成本和复杂度，同时在理论上可进一步提升能量密度。然而，这种电池的充放电机制与传统的锂过量固态电池存在显著差异，尤其是固态电解质与电流收集器之间的固-固界面上的电化学与机械效应，对于电池的循环稳定性和性能至关重要。

成果简介

为了解决这一问题，美国佐治亚理工学院Stephanie Elizabeth Sandoval, Matthew T. McDowell等以及密西根大学Catherine G. Haslam等教授在Nature Materials期刊上发表了题为“Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries”的最新见解。

该团队系统概述了锂金属在无负极固态电池中的成核、沉积、剥离及循环行为，提出了影响锂金属形貌及界面稳定性的多重因素。他们通过调节堆叠压力、电流密度、温度等实验条件，研究了这些因素对锂沉积过程及其稳定性的影响。此外，研究人员利用先进的界面工程技术，提出了改善锂沉积均匀性与延长电池寿命的潜在路径。这一系列研究成果，为无负极固态电池的进一步发展提供了重要的理论依据和技术路线。

研究亮点

1. 实验首次提出无阳极固态电池（Anode-Free Solid-State Batteries, AFSSB）的概念，并通过该电池设计，展示了不使用负极活性物质的优越性。该设计通过在充电过程中在当前收集器上沉积金属锂，并在放电过程中去除锂金属，实现了高能量密度的储能系统。

2. 实验通过对无阳极固态电池的电化学反应机制进行深入分析，揭示了锂金属沉积和剥离过程中的电-化学-机械现象的复杂性。研究表明，锂的形态与沉积/剥离的均匀性密切相关，且这些行为受到界面接触、锂金属沉积的局部化学环境、以及施加的堆叠压力等因素的影响。

3. 实验通过对堆叠压力、当前收集器厚度、温度等影响因素的调节，改善了电池的锂沉积行为。研究发现，较高的堆叠压力能够促进锂的均匀沉积，而较薄的当前收集器则可能导致机械失效，影响电池的循环性能。

4. 研究提出通过优化固态电解质与当前收集器的界面接触及其机械性能，能有效提高无阳极固态电池的循环稳定性和能量密度。同时，提出了需要进一步探索的研究问题，如低堆叠压力下的电池行为、界面生长调控和当前收集器及中间层的工程优化。

图文解读

图1: 全固态电池SSB的结构。

图2: 影响无阳极全固态电池SSB中，锂初始沉积因素。

图3: 影响无阳极全固态电池SSB的充电/放电循环行为因素。

图4: 无阳极全固态电池SSB中，析出锂表征。

总结展望

低堆叠压力下的无阳极固态电池操作是一个关键挑战。虽然高堆叠压力和高温能提升性能，但低堆叠压力条件下材料的演变机制尚不明确，因此，研究低压力下的材料行为及其微观结构控制至关重要。其次，锂的纯度对无阳极固态电池的循环性能具有重要影响。锂沉积过程中，杂质可能在界面上积累并影响锂的微观结构，因此，优化锂的纯度及控制原子级杂质的影响是提升电池性能的关键。

此外，电池组装过程中的界面质量和材料处理工艺直接影响电池的长周期稳定性。未来的研究可聚焦于开发高效的界面粘附层和优化电流收集器的设计，以提升循环稳定性和降低锂消耗。总之，本文强调了界面控制、材料纯度和堆叠压力对无阳极固态电池发展的重要性，未来的研究应更多关注这些因素的协同作用。

文献信息

Sandoval, S.E., Haslam, C.G., Vishnugopi, B.S. et al. Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries. Nat. Mater. (2025).

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