鋰離子電池（LIBs）已廣泛應用于電動汽車和便攜式電子設備，但其能量密度逐漸接近物理極限。為了滿足更高續(xù)航里程的需求，采用鋰金屬作為負極的鋰金屬電池（ LMBs ）因其極高的理論比容量（3860 mAh/g）和最低的電化學電位（-3.04 V vs. SHE）而備受關注。其中，初始無負極鋰金屬電池（IAF-LMBs）完全去除了負極集流體上的過量鋰，僅依靠正極脫出的鋰離子在負極側沉積，從而實現(xiàn)了最高的質量和體積能量密度。然而，由于沒有過量的鋰源補充，IAF-LMBs 對固體電解質界面（SEI）的形成和死鋰的產生極為敏感，導致其在實際應用（特別是大容量軟包電池）中的循環(huán)壽命極短。

傳統(tǒng)的解決策略多集中在開發(fā)新型電解液添加劑、人工SEI膜或3D集流體上，但這些方法往往增加了制造成本和工藝復雜性。本文提出了一種創(chuàng)新的、低成本的解決方案：通過優(yōu)化充電協(xié)議來調控鋰沉積行為和SEI性質。具體而言，研究團隊開發(fā)了一種名為中間峰值電流（MPC）的充電策略，顯著提升了安時級IAF軟包電池的循環(huán)性能。

傳統(tǒng)恒流充電的局限與MPC策略

Millennial Lithium

目前最常用的恒流-恒壓（CC-CV）充電協(xié)議在鋰金屬電池中表現(xiàn)不佳。高電流密度的CC充電會導致鋰離子通量分布不均，進而形成尖端效應，誘發(fā)枝晶生長。這些枝晶不僅容易刺穿SEI膜導致電解液持續(xù)消耗，還可能斷裂形成失去電接觸的死鋰，最終導致電池容量快速衰減。

針對這一問題，研究團隊受電流密度對鋰成核及生長影響的啟發(fā)，設計了MPC充電協(xié)議。該協(xié)議由三階段組成：

初始低電流階段：誘導形成致密、均勻的晶核，并構建具有高機械強度和高離子電導率的SEI膜。

中間高電流階段：在已形成的致密底層上加速鋰沉積，提高充電效率。

末期低電流階段：平滑沉積表面，進一步固化SEI。

鋰沉積模式及其對應SEI特性的示意圖

如圖所示，CC協(xié)議傾向于生成多孔、苔蘚狀的鋰沉積，伴隨著脆弱且不穩(wěn)定的SEI；而MPC協(xié)議則能誘導生成致密、柱狀的鋰沉積，其表面覆蓋著堅固且富含無機組分的SEI膜。

微觀結構與SEI性質的演變

Millennial Lithium

為了驗證MPC策略的有效性，研究人員對沉積鋰的微觀形貌進行了深入分析。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，采用CC協(xié)議沉積的鋰層呈現(xiàn)出松散的針狀結構，孔隙率高達22.9%；而采用MPC協(xié)議沉積的鋰層則呈現(xiàn)出致密的大顆粒結構，孔隙率僅為5.4%。這種致密結構不僅減少了鋰與電解液的接觸面積，降低了副反應，還顯著提升了鋰的利用率。

進一步的原子力顯微鏡（AFM）測試揭示了SEI力學性能的差異。MPC誘導生成的SEI膜楊氏模量高達5.3 GPa，遠高于CC生成的2.8 GPa。這種高模量SEI能夠有效抑制枝晶生長，承受充放電過程中的體積變化。X射線光電子能譜（XPS）分析表明，MPC形成的SEI內層富含Li?O、LiF和Li?N等無機物，這些組分具有高機械強度和高鋰離子遷移數(shù)，是實現(xiàn)均勻鋰沉積的關鍵。

沉積鋰的形貌及SEI的機械性能

電化學性能與全電池驗證

Millennial Lithium

在Li||Cu半電池測試中，MPC協(xié)議顯著提升了庫倫效率（CE）。特別是在大電流密度下，MPC的優(yōu)勢更為明顯，表明其能有效抑制高倍率下的枝晶生長。

為了評估其實際應用潛力，研究團隊組裝了采用NMC622正極的IAF扣式全電池。在相同的截止電壓和溫度條件下，采用MPC充電的電池循環(huán)壽命達到了150次（容量保持率80%），遠超CC充電的80次。此外，MPC策略在匹配單晶NMC811高鎳正極時也表現(xiàn)出色，證明了其普適性。

該研究的重頭戲在于1.5 Ah級IAF軟包電池的測試。這種大容量電池對鋰源損失極為敏感，通常循環(huán)壽命很難超過50次。然而，通過結合MPC充電協(xié)議和優(yōu)化的雙鹽電解液（LiFSI + LiDFOB），該軟包電池實現(xiàn)了驚人的性能突破：比能量達到400 Wh/kg，在298次循環(huán)后仍保持80%的初始容量。這不僅刷新了同類電池的循環(huán)記錄，也使其更加接近商業(yè)化應用的要求（通常要求>300 Wh/kg和>300次循環(huán)）。

1.5 Ah 初始無負極鋰金屬軟包電池的電化學性能

仿真模擬與死鋰復活機制

Millennial Lithium

為了深入理解MPC的作用機理，研究人員利用COMSOL Multiphysics進行了多物理場仿真。模擬結果顯示，在低電流密度下沉積的鋰核周圍應力分布更均勻，且高模量SEI能夠有效分散后續(xù)大電流帶來的機械應力，防止SEI破裂。相反，CC模式下的大電流會直接導致局部應力集中，使原本脆弱的SEI迅速破裂，引發(fā)枝晶失控生長。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)MPC協(xié)議具有獨特的“死鋰復活”功能。在深度過放電或老化后，MPC中的小電流階段有助于重新建立孤立死鋰與集流體之間的電接觸，從而恢復部分損失的容量。這一特性對于延長電池全生命周期的可用容量具有重要意義。

本研究提出了一種基于電化學沉積動力學的MPC充電協(xié)議，通過分階段調控電流密度，成功實現(xiàn)了致密鋰沉積和高模量SEI的構建。該策略無需昂貴的材料改性或復雜的設備升級，僅通過軟件層面的優(yōu)化即可顯著提升IAF-LMBs的循環(huán)壽命和安全性。特別是其在400 Wh/kg級軟包電池上實現(xiàn)的近300次穩(wěn)定循環(huán)，為高能量密度鋰金屬電池的實用化開辟了一條極具前景的路徑。未來的工作將進一步探索該協(xié)議在低溫、快充等極端工況下的表現(xiàn)，以及與其他先進電解液體系的協(xié)同效應。

原文參考：Tailored charging protocol for densied lithium deposition and stable initially anode-free lithium metal pouch cells

*特別聲明：本公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉載文章，僅用于學術分享和傳遞行業(yè)相關信息。未經授權，不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考，如涉及版權問題，敬請聯(lián)系，我們將在第一時間核實并處理。