新型能源技术的有效开发和大规模应用将给全球能源格局带来巨大变革。近年来，航空航天、无人机、新能源汽车等领域对电池能量密度提出了更高要求。然而，以传统石墨负极为代表的锂离子电池能量密度接近于理论极限（~300 Wh kg^-1），无法满足上述领域的技术需求。基于锂金属负极构建的新型电池体系理论能量密度远高于现有锂离子电池，是新一代高比能电池的理想选择。然而,不可控的锂枝晶生长和不稳定的锂金属/电解液界面严重阻碍了其实际应用。

针对上述挑战，西安交通大学材料学院宋江选教授团队提出了一种固体电解质中间相力学和锂晶体学协同调控新方法，通过使用氟化钇/甲基丙烯酸甲酯复合层解决了锂金属负极界面稳定性差的难题。研究人员通过复合层与锂金属的原位反应生成Y掺杂锂金属，诱导锂沉积过程中的晶体学优先取向从传统的（110）晶面转变为（200）晶面，促使锂金属与电解液之间的副反应降低了80%。同时，所采用的活性聚合物复合层兼顾锂离子传输能力和良好的力学性能，可显著改善界面层的离子电导率和机械稳定性。基于上述策略所制备的4.2 Ah大容量软包电池能量密度高达468 Wh kg^-1，显著提升了小型无人机的续航时间，且在高面容量正极（6 mAh cm^-2）、贫电解液（1.98 g Ah^-1）和高电流密度（3 mA cm^-2）的苛刻条件下展现出优异的循环稳定性，单圈容量衰减率仅为0.08%。本研究为高比能锂金属电池的开发提供了新的思路。相关研究成果发表在国际知名期刊《自然通讯》（Nature Communications）上，西安交通大学材料学院博士生张艳华为论文第一作者。

软包电池及循环性能图

以上研究成果以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位，西安交通大材料学院宋江选教授为论文唯一通讯作者，论文合作者包括材料学院刘峰教授、邓俊楷教授、上海空间电源研究所解晶莹总研究师、李永研究员等。该研究涉及到的表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院分析测试中心的支持。以上研究工作得到了科技部/工信部能源项目、国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、上海市自然科学基金的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48889-8

课题组网站：http://jxsong.xjtu.edu.cn/