手机充电两小时，使用五分钟？电动车续航焦虑还没解决，电池又鼓包了？这些问题的背后，是科学家们多年来的“心病”——锂金属电池的枝晶难题。锂金属作为“能量巨人”，理论容量是传统石墨电池的10倍，却因充放电时表面会长出尖锐的枝晶，导致电池寿命短、安全性差。近日，我国学者在《Front. Chem. Sci. Eng.》发表研究，通过在锂金属表面构建Al-Li/LiF复合人工界面层，就像给电池穿上“防弹衣”，成功将锂金属电池循环寿命从600小时延长到2300小时，全电池容量保持率提升15.5%，为高能量密度电池实用化扫清了关键障碍。

锂金属的“致命缺点”：枝晶像“小刺”戳破电池安全
锂金属电池被视为下一代电池的“希望之星”，理论容量高达3860 mAh·g⁻¹，相当于给电动车装上“超级油箱”，续航轻松突破1000公里。但它有个“暴躁脾气”：每次充电时，锂离子在锂金属表面沉积，有时均匀如镜面，有时却会长出密密麻麻的枝晶。这些枝晶就像电池里的“小刺”，随着充放电次数增加，“刺”会越长越尖，最终可能刺穿正负极之间的隔膜，引发短路、鼓包甚至爆炸。

更头疼的是，枝晶断裂后会形成“死锂”，这些锂金属再也无法参与充放电，电池容量就像漏气的气球一样越来越小。同时，锂金属还会与电解液持续发生副反应，电解液越用越少，电池寿命跟着“缩水”。传统锂金属电池在0.5 mA·cm⁻²的电流下（相当于手机日常使用强度），循环寿命通常只有600小时，远远达不到实用要求。

“软硬兼施”的复合界面层：Al-Li合金“缓冲”，LiF“挡刺”
为了驯服枝晶，科学家们尝试过各种方法：电解液加添加剂、设计三维骨架、开发固态电解质……但要么效果短暂，要么成本太高。我国团队另辟蹊径，想出了一个简单直接的办法：给锂金属表面“镀”一层复合界面层，就像给它穿上“防弹衣”。

这层“防弹衣”是怎么制作的呢？研究人员将AlF₃粉末溶解在二甲醚溶剂中，均匀涂在锂箔表面，通过热处理引发化学反应，原位生成两种关键成分：Al-Li合金（Li₉Al₄）和LiF。Al-Li合金像“软缓冲垫”，柔韧性极佳，能抵消锂金属充放电时300%的体积膨胀（相当于气球吹大3倍再缩小，“缓冲垫”不会破裂）；LiF则像“硬盾牌”，机械强度超高（杨氏模量53.3 GPa，是纯锂的48倍），能物理阻挡枝晶生长，防止它刺穿隔膜。

经过反复测试，团队发现20微米厚的复合层（简称LAF-20）效果最好：太薄挡不住枝晶，太厚会阻碍锂离子传输。这层“防弹衣”不仅能让锂离子快速通过（电荷转移电阻从343.40Ω降至58.36Ω），还能隔绝电解液与锂金属的接触，减少副反应。

实测：循环2300小时电压稳定，容量保持率提升15.5%
“防弹衣”的效果究竟如何？实验数据给出了答案。在对称电池测试中（模拟电池充放电循环），未加复合层的纯锂电池在0.5 mA·cm⁻²电流下仅能循环600小时，电压就开始剧烈波动；而穿上“防弹衣”的LAF-20电池，循环2300小时后电压依然稳定，寿命延长了近3倍。

在全电池测试中，效果同样显著。用磷酸铁锂（LFP）做正极时，LAF-20电池在1C倍率下循环300次后，容量保持率为75.5%，而传统纯锂电池仅为60%；换成高镍正极（NCM811）时，传统电池150次循环后容量大幅衰减，LAF-20电池300次循环后仍能保持137 mAh·g⁻¹的容量。

更直观的是电镜照片：循环后，纯锂表面布满多孔、粗糙的枝晶，而LAF-20表面平整光滑，几乎看不到枝晶痕迹。这意味着“防弹衣”不仅能阻挡枝晶，还能保持界面稳定。

从实验室到生产线：手机一周一充、电动车续航超1000公里不是梦
这项技术的突破，不仅解决了锂金属电池的安全性问题，还具备工业化潜力。一步涂覆加热的制备工艺简单，成本低廉，无需复杂设备，适合大规模生产。未来，配备“防弹衣”的锂金属电池有望让手机续航一周一充，电动车续航轻松突破1000公里，储能电站寿命延长3倍以上。

当然，研究团队也指出，目前复合层在极端温度（如-20℃或60℃以上）下的稳定性还需进一步优化。下一步，他们计划测试该技术在宽温区的表现，让“防弹衣”电池适应更多场景。

或许在不久的将来，当你再也不用为手机电量焦虑时，背后正是这项“防弹衣”技术在默默守护。

来源: 化学工程前沿FCSE