工程化超薄三维锂复合箔负极，具高机械韧性

为何更好的电池至关重要

轻量且寿命长的电池对从电动汽车到可再生能源的电网储能等各类应用都至关重要。许多研究者认为锂金属是理想的负极材料，因为它比当前的石墨能储存更多能量。然而在实际应用中，锂金属往往会生长出针状结构、开裂，并在电池达到承诺寿命之前失效。本研究描述了一种构建超薄且坚韧的锂金属基箔的新方法，该箔在高强度使用下仍能安全地提供高能量密度。

脆弱锂金属的挑战

传统锂金属柔软且脆弱，类似一层厚厚的冷黄油。随着电池充放电，锂不断被移除和再沉积，使金属发生膨胀和收缩。这种运动会产生称为枝晶的尖锐突起，并导致箔材开裂。由金属或碳制成的三维支撑结构可以帮助更均匀地分布锂，但它们常常会开裂、难以制得非常薄，或需要沉重的背衬箔，从而降低电池的整体能量。该领域一直在机械强度、薄度和电化学性能之间陷于权衡。

一种新的复合箔设计

作者设计了一种自支撑复合箔，称为 LZNC，它结合了三种成分：锂‑锌合金、快速导电的氮化锂相和碳纳米管网。他们通过让熔融锂与氮化锌粉末发生反应来形成该材料，此过程同时生成合金和氮化锂，然后在固化后混入碳纳米管并将固体轧制成薄片。在这一结构中，合金提供延展性与有利的锂沉积位点，而被氮化锂包覆的纳米管网络则像一张有弹性的网，结合整个箔并加速锂离子传输。

强韧、超薄且在运行中稳定

力学测试表明，该复合箔比纯锂的韧性显著提升，断裂前吸收的能量约为后者的十二倍。它可以被轧制至不到十微米的厚度——比人类头发还薄——而不会产生裂纹，并且可以生产出大面积的光滑薄片，显示出可扩展制造的前景。显微和 X 射线成像显示，即使在充电过程中锂被完全移除后，交织的锌‑纳米管框架仍保持完整，内部孔隙可在下一次放电时容纳锂。当研究者在简单的测试电池中循环这些箔时，电压在数百小时内保持稳定，阻抗低且即使在极高充放电速率下也未见失控的枝晶生长迹象。

从实验室箔到实用电池

研究团队随后将这种新型负极与一种高能量的商用型正极（镍富 NCM811 材料）配对。在纽扣电池测试中，使用复合箔的电池在 500 次以上循环后仍保持容量，而使用常规锂金属的可比电池则迅速衰减并浪费活性锂。该复合箔还支持快速充放电，速率可达标准的十倍，并且在可用容量上远高于传统设计。推进到更接近实际产品的软包电池，研究者展示了安培小时级别的电池，在 300 次循环后仍保持超过 90% 的容量，并在考虑包装质量时仍达到约 553 瓦时每千克的电池级比能量。

这对未来电池意味着什么

对非专业读者来说，核心信息是：作者通过将脆弱的锂金属与合金颗粒和导电的纳米管网交织在一起，把它转变为一种薄且柔韧、寿命长的箔。这种结构在锂进出过程中保持内部框架完整，引导平滑沉积并防止危险的尖刺和裂缝。由于该箔在保持强度的同时可以制得非常薄，它使电池在不牺牲安全性或寿命的前提下携带更多能量。如果能成功放大制造，这一设计可能使电动汽车和便携设备在单次充电下运行更久并经受多年日常使用。

引用: Wang, YH., Tan, SJ., Zhang, CH. et al. Engineering thin 3D Li-composite foil negative electrodes with high mechanical toughness. Nat Commun 17, 2345 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69155-z

关键词: 锂金属电池, 电池负极材料, 能量存储, 碳纳米管复合材料, 抑制锂枝晶