科学网—南洋理工徐梽川院士综述:面向无负极碱金属电池实用化的集流体设计策略
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2026-10-24 14:35
| 系统分类: 论文交流
Architecting Anode Current Collectors for Practical Anode-Free Alkali Metal Batteries
Kai Tang, Zihan Shen, Wen Xie, Pengfei Song, Longcheng Zhang, Dongshuang Wu, Zhichuan J. Xu*
Nano-Micro Letters (2027)19: 53
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02355-w
本文亮点
1. 跨越锂钠钾体系，厘清差异化设计逻辑： 系统比较三类无负极碱金属电池的能量密度、沉积体积变化和界面失稳特征，揭示不同金属体系对集流体提出的共性要求与特有挑战。
2. 聚焦集流体，串联金属沉积与界面演化： 从有限活性金属库存出发，解析集流体如何影响成核、生长、剥离与固体电解质界面膜演化，归纳电子电导率、碱金属亲和性、形貌和界面稳定性四个关键参数。
研究背景
随着高能量密度储能需求的增长，如何在提高电池容量的同时减少非活性组分成为电池设计的重要课题。无负极碱金属电池在组装时不预置锂、钠或钾金属负极，负极侧仅保留集流体。这一简化构型也带来了更严格的可逆性要求。与具有过量金属储备的电池不同，无负极电池最初的可循环金属主要储存在正极中，无法依靠厚金属箔持续补偿损失。不均匀成核容易诱发疏松或枝晶状沉积，剥离过程中的接触丧失会形成电隔离的碱金属，而持续的电解液分解又会进一步增加界面阻抗、消耗金属和电解液。这些过程相互耦合，使无负极电池的容量衰减往往更加迅速。因此，负极集流体承担了比传统电池更复杂的任务。其表面是工作负极首次形成的场所，初始成核分布会影响后续金属生长与界面膜形成。从初始成核到长期剥离，集流体始终参与工作负极的形成与演化。如何通过集流体工程改善金属沉积可逆性，并将这种优势转化为实际电芯中的寿命与能量密度，是无负极电池研究走向实用化的关键问题。
内容简介
针对无负极碱金属电池中金属沉积不均、界面失稳与活性金属持续损耗等核心瓶颈， 南洋理工大学徐梽川院士团队 聚焦负极集流体工程，从有限金属库存出发，系统梳理锂、钠、钾体系的集流体设计进展，解析集流体对金属成核、生长、剥离及界面演化的调控作用，厘清不同碱金属体系的设计侧重点。在此基础上，提炼电子电导率、碱金属亲和性、形貌与界面稳定性四个关键参数，建立界面失效机制与材料设计策略之间的联系。进一步结合库仑效率、金属库存保持、放电深度和电芯级能量密度，将改性负载、堆叠压力及制造成本纳入设计考量，构建兼顾沉积可逆性、能量密度与制造可行性的集流体设计框架，为无负极碱金属电池从材料优化走向实用电芯提供系统参考。
图文导读
I 从锂到钠、钾，理解共同构型下的不同挑战
锂、钠、钾无负极电池都依赖集流体上的原位金属沉积，但三种金属的比容量、密度、离子尺寸和界面反应特征存在明显差异。锂具有较高的质量与 体积比容量 ，以及更负的氧化还原电位，因此在追求高能量密度方面具有突出优势。同时，成熟的锂离子电池制造基础也为其发展提供了条件。钠具有较好的资源与成本基础，而且在实际工作电位窗口内与铝的合金化倾向较弱，为采用轻质铝基集流体创造了条件。这一优势需要与钠的溶剂化和界面输运行为、较大的沉积体积变化及界面膜稳定性共同考虑。钾同样具有丰富的资源，但较低的体积比容量和较强的界面反应性，使其面临更大的结构与化学稳定性挑战。此外，钾供应链与生产规模，也会影响实际成本，不能仅凭元素丰度判断经济性。
图1. 无负极电池构型及锂、钠、钾体系的本征差异。
II 库仑效率与放电深度对循环稳定性的影响
无负极电池的容量衰减，与活性金属库存的持续消耗密切相关。 首圈库仑效率 反映初始成核、界面形成和早期副反应带来的不可逆损失，决定了首次循环后还剩下多少可循环金属；长期平均库仑效率则描述后续沉积与剥离的可逆程度，影响剩余库存的消耗速度。因此，一个在后续循环中表现稳定的材料设计，如果首圈损失过大，仍可能难以支撑高容量利用率。作者结合锂库存保持率和不可逆容量损失分析，讨论死锂、界面膜增长与正极不可逆损失对循环衰减的贡献。放电深度对无负极电池有较大的影响。降低放电深度后，部分金属仍保留在负极侧，可为后续循环提供一定的金属储备，并减轻完全剥离过程中产生的接触丧失和死锂形成。同时，较浅的循环也有助于缓解正极结构退化。因此，缩窄电压窗口往往能够延长循环寿命，但也会降低每次循环的可用容量。
图2. 放电深度对无负极电池循环寿命及不可逆金属损失的影响。
III 无负极锂电池，将均匀成核与稳定界面相结合
锂基体系已形成较丰富的集流体工程路线，其中包括合金化位点、聚合物与人工界面层，以及碳基三维集流体等。亲锂位点能够降低成核势垒，改善初始晶核的空间分布。部分可逆合金还能在沉积与剥离过程中维持金属与基底之间的接触，缓冲体积变化。对于无负极电池，这些作用的意义在于减少孤立金属的生成，并让已沉积的锂保持可剥离状态。碳基集流体则提供了形貌与电子结构协同调控的空间。三维骨架有助于分散局部电流并容纳沉积金属，缺陷或配位位点可调节金属亲和性与界面反应。综述介绍的低费米能级碳基材料，展示了通过电子结构调控减少电解液分解、促进界面稳定的可能性。这类策略说明，集流体可以同时影响金属生长形貌和界面膜组成，而两者共同决定循环中的金属损失。
图3. 无负极锂金属电池中可逆合金、功能界面层及碳基集流体的代表性设计。
IV 无负极钠钾电池的集流体设计与实用化挑战
铝基集流体的适用性是无负极钠电池的重要特点。相较于锂体系常用的铜箔，铝能够降低集流体的质量与成本，并避免钠在实际工作窗口内显著的寄生合金化反应。但是，材料兼容性优势并不会自动转化为高可逆性。钠在集流体上的成核分布、界面离子供应和剥离后的电接触，仍需要通过表面与结构设计加以控制。综述介绍的功能化多孔铝，通过互连的骨架与通道提供沉积空间，降低局部电流密度，并结合亲钠位点改善初始成核。这种设计将铝基集流体的轻质优势与三维结构的缓冲功能联系起来。碳纳米纤维则展示了另一种协同路线，通过表面位点调控电解液反应和金属成核，同时借助孔结构容纳钠并减轻沉积应变。作者还介绍了将界面介电响应、离子迁移和局部浓度变化联系起来的设计描述符。这一思路将多个相互作用的因素纳入评价，为从经验筛选走向可预测设计提供了启示。
图4. 无负极钠金属电池中多孔铝、多功能碳纤维及离子输运调控集流体的代表性设计。
目前，无负极钾电池的研究数量和大容量验证仍较有限，综述指出其尚缺乏安时级示范。因此，现有策略仍需在高面容量、贫电解液和实际压力条件下接受检验。钾体系后续发展的重点，是在低非活性质量与体积的约束下，实现可重复的金属沉积、界面稳定和大容量全电池验证。这也需要更系统地研究其失效机制，使集流体优化能够对应具体的库存损失过程。
V 四个关键参数，形成相互关联的集流体设计框架
文章将集流体设计归纳为电子电导率、碱金属亲和性、形貌和界面稳定性四个关键参数。良好的电子电导率有助于均匀电流分布、降低极化。适当的碱金属亲和性可促进均匀成核，并兼顾后续生长与可逆剥离。合理的形貌能够提供沉积空间、缓冲体积变化，同时避免增加过多非活性质量与体积。稳定的界面则有助于抑制副反应、维持金属与集流体的接触，减少活性金属损失。四个参数相互关联，需要协同优化，以兼顾沉积可逆性、循环稳定性和电芯能量密度。
图5. 电子电导率、碱金属亲和性、集流体形貌与界面稳定性四个关键设计参数。
VI 从界面失效到性能需求，构建集流体设计图谱
无负极电池在成核、沉积及反复循环过程中，面临非均匀成核、体积波动、空隙形成和界面脱离等问题，进而诱发死金属积累与枝晶生长，造成持续的界面退化和容量损失。围绕这些失效路径，集流体工程形成了四类互补策略。表面亲和性调控能够降低成核势垒、改善金属附着并引导均匀沉积。形貌工程通过分散局部电流、提供沉积空间，缓冲金属体积变化。人工SEI与介电涂层用于抑制副反应、调节界面离子分布。替代集流体则结合锂、钠、钾体系的化学特性，平衡质量、成本与稳定性。这些策略共同服务于低成核势垒、低界面阻抗、均匀致密沉积及高库仑效率等关键需求，同时控制非活性质量，以兼顾循环寿命与电芯能量密度。该设计图谱将具体失效机制与材料调控手段、性能目标相连接，为面向实用化的集流体设计提供系统依据。
图6. 负极失效路径、集流体工程策略和电池性能要求的设计图谱。
VII 面向实用化的集流体设计原则与发展方向
集流体工程应在提升沉积可逆性的同时，面向实用化，保留无负极构型的能量密度优势。功能涂层与合金化组分应采用低负载设计，其附加质量、体积及不可逆金属消耗均需纳入电芯评估，确保容量主要源于碱金属的可逆沉积与剥离。堆叠压力应与电极及隔膜的机械性质协同优化，在促进致密沉积、维持界面接触的同时，避免过度压缩损害电芯可靠性。制造层面应综合考量材料成本、加工复杂度、涂层均匀性及产线兼容性，使电化学性能提升能够转化为可规模化制造的电芯优势。此外，结合早期循环、阻抗与界面化学信息的数据驱动方法，有望加速电解液筛选、寿命预测及化成条件优化。相关模型需纳入有限金属库存和实际工况约束，并通过实验反馈推动材料、界面与运行条件的协同优化。
图7. 无负极电池实用化中的低负载改性、堆叠压力、成本与制造，以及数据驱动设计。
VIII 总结
本篇综述从负极集流体出发，将锂、钠、钾无负极电池的本征差异、循环评价和代表性工程策略纳入同一框架，进一步梳理集流体如何参与金属成核、生长、剥离和界面演化。文章围绕有限活性金属库存开展集流体设计，这也是理解无负极电池失效并提高循环可逆性的核心。通过提炼四个相互关联的设计参数，并将其与放电深度、堆叠压力和制造条件联系起来，作者为判断材料策略的真实价值提供了更完整的依据。后续研究需要在明确的评价边界下，兼顾首圈损失、长期库存保持和可用能量，并推进高面容量、贫电解液与安时级电芯验证。无负极集流体工程的关键，是将界面和形貌调控带来的收益，持续转化为实际电芯中的高能量密度、长寿命与制造可行性。这一思路为无负极碱金属电池的实用化开发提供了可检验的研究方向。
作者简介
徐梽川
本文通讯作者
南洋理工大学 讲席教授
▍ 主要研究 领域
(1)电催化；(2)催化反应中的电子自旋及磁性效应；(3)储能材料；(4)氢能及绿色燃料
▍ 主要研究成果
南洋理工大学讲席教授、新加坡工程院院士、英国皇家化学学会会士、土耳其科学院荣誉成员、全球高被引学者、南洋理工大学海洋能源和可持续发展卓越中心主任、先进催化科学与技术中心主任、欧洲氢能论坛国际委员。徐梽川教授长期从事电化学、电催化原理、多功能材料设计合成及其在新能源领域的应用基础研究，曾获2019年国际电化学会(ISE)田昭武能源电化学奖，2024年土耳其科学院基础与工程科学奖等奖项，担任ECS新加坡分会主席。
▍ Email： xuzc@ntu.edu.sg
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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