用于安全锂金属电池的智能阻燃分层复合锂负极

为何更安全的电池很重要

锂金属电池有望为续航更长的电动汽车和更纤薄的手机提供动力，但它们存在一个隐蔽的危险：内部的锂金属在出现故障时可能剧烈燃烧。该研究提出了一种巧妙的新方法来构建电池的锂侧，使其在很大程度上能够自我扑灭火焰，同时仍能保持高能量存储能力。研究展示了如何通过围绕锂金属的精心分层结构既防止明火又在遭受严重损害后仍保持电池工作。

锂金属电池内部的火灾风险

锂金属之所以具有吸引力，是因为按重量它能储存的电荷比几乎所有其他电池材料都多。然而，它也高度活泼，暴露于高温、空气或水分时容易起火，导致极高温度且难以扑灭的燃烧。现有的安全措施大多集中在使用更不易燃的液体电解质或在正负极之间增加更坚固的隔膜。这些方法有帮助，但并未根除核心问题：如果锂金属自身着火，电池仍可能发生剧烈故障。将常规阻燃化学品直接混入锂金属不可行，因为锂会腐蚀这些添加剂，破坏它们的阻燃能力并损害电池容量。

围绕锂金属的分层屏障

研究人员设计了一种由四层协同工作层叠构成的新型锂金属负极。基底是由氧化石墨烯制成的轻质多孔框架，提供机械支撑并为锂留出大量空间。在该框架内部，他们涂覆了一种固态阻燃化合物三苯磷酸。在其上方生长了一层非常薄且均匀的氧化锌层，这层既能吸附熔融锂，又充当锂与阻燃剂之间的屏障。最后，锂金属被注入孔隙，使其填充结构的外层区域。该布局在正常使用时将阻燃材料与锂隔离，避免了困扰简单混合物的破坏性副反应，同时在紧急情况下仍能发挥作用。

智能阻燃如何起作用

在暴露于高温火焰时，这种分层电极的表现与纯锂金属大不相同。多孔框架减缓并扩散热量，因此即便一侧受到强烈加热，大部分结构仍比点火温度低得多。随着温度上升，隐藏的阻燃层逐渐分解并释放气体，这些气体通过微小通道渗透到锂表面。计算机模拟和成像显示，这些气体在电极周围形成一层保护毯，驱赶氧气并中断维持燃烧的化学链式反应。同时，阻燃分子碎片强烈吸附锂原子，进一步阻断燃烧过程。因此，新电极样品即便在600摄氏度火焰下持续加热也不会持续燃烧，而纯锂和简单添加阻燃剂的对照样品则都剧烈燃烧并崩解。

在火灾期间及之后保持电池工作

关键在于，这些安全性提升并未以性能为代价。在正常循环中，氧化锌层阻止阻燃剂溶解入液态电解质并攻击锂。这带来了更稳定的界面，使锂能够平滑地镀/剥，避免形成针状生长并保持较低的内阻。在测试中，该分层电极支持的充放电循环次数远多于纯锂或简单阻燃混合物。即便在直接点燃后，分层结构中的大部分锂仍保持完整且可用，因此用其制造的电池可以继续运行数百小时，而使用纯锂的电池在燃烧后则完全失效。

这对未来设备意味着什么

为展示实际影响，研究团队制造了尺寸和形状类似于小型商用电池的软包电池。当标准锂金属电池的锂侧暴露于火焰时，整个电池都会燃起并被摧毁。相比之下，使用该分层智能电极的电池在重复或长期点燃条件下仍能为灯供电而不发生爆燃。总体而言，该研究表明，通过用精心设计的阻燃分层主体包裹锂金属，可以将一种臭名昭著的易燃材料转变为更安全的电池组成部分，同时仍能提供长寿命和高能量。这一方法有望使下一代锂金属电池，乃至其他金属基电池，在日常使用中更加安全。

引用: Qi, H., Deng, L., Liu, Y. et al. Smart-flame-retarding layered composite Li negative electrode for safe Li metal battery. Nat Commun 17, 4438 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71069-9

关键词: 锂金属电池, 电池安全, 阻燃电极, 氧化石墨烯泡沫, 氧化锌层