无阳极锂电池新突破：巧妙控制金属生长

无阳极锂金属电池（AFLMBs）是一种特殊的锂金属电池，其金属锂全部来自锂化阴极，阳极侧仅保留集流体，这种设计能大幅提升能量密度，简化制造并增强安全性。但它面临比传统锂金属电池更严峻的挑战：集流体上锂沉积体积波动大，金属锂表面的固体电解质界面膜（SEI，一种覆盖电极表面的钝化膜）电荷传输差且脆弱，导致SEI反复破裂、副反应失控，进而容量衰减快，还可能因锂枝晶引发安全风险。

目前常用的阳极调控策略，如人工SEI修饰集流体或3D多孔宿主结构，存在各自局限：人工SEI虽能均匀锂离子通量、引导锂自下而上生长以抑制枝晶，但机械韧性不足，难以承受高面容量锂沉积时的巨大体积变化；3D多孔宿主能容纳锂沉积，却因比表面积大、孔隙开放，会过度消耗电解液和锂，在无阳极或贫电解液条件下适用性差。因此，亟需新的界面设计来平衡锂容纳空间与电解液腐蚀防护。

本研究设计了一种富锂中空离子-电子导体（HIEC）中间层，其纳米空腔结构兼具SEI功能和锂沉积宿主能力。该结构通过聚苯乙烯模板法合成，将离子导电的钛酸锂（LTO）与电子导电的碳结合，形成梯度混合导电域，平衡离子和电子传输，引导锂在HIEC框架内沉积。LTO的零应变特性和原位形成的分级SEI能有效缓解循环中的机械降解。结合可规模化的化学预锂化（CPL）工艺，可补偿初始循环的不可逆锂损失，使HIEC中间层在无阳极和“无负极”（anode-less）构型的锂金属电池中均展现出优异的锂容纳能力（约5 mAh/cm²）、增强的界面动力学和长循环可逆性。

实验表明，HIEC中间层（HCLTO）经CPL处理后（P-HCLTO），锂扩散系数显著提升，电子电导率适中，表面电位降低，有利于锂离子迁移。在锂沉积/剥离实验中，P-HCLTO能将锂限制在内部纳米空腔，抑制枝晶生长和体积膨胀，避免“死锂”（与集流体电隔离的锂）产生。通过飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）等表征发现，HIEC中的缺电子域促进锂盐阴离子吸附分解，形成外层有机、内层无机的分级SEI，有效保护锂并抑制电解液渗透。

电化学性能测试显示，P-HCLTO使锂||铜半电池在不同沉积容量下库仑效率（充放电效率）超98.5%，循环寿命显著延长；对称电池交换电流密度提高，界面电阻和活化能降低，长期循环稳定性增强。在“无负极”和无阳极电池中，搭配高负载磷酸铁锂（LFP）或三元（NCM811）阴极，在工业级条件（高阴极负载、贫电解液、低堆叠压力）下，纽扣电池和软包电池均实现高容量保持率和稳定循环，如NCM811软包无阳极电池100次循环后容量保持率约68%。

综上，HIEC中间层通过整合SEI和宿主功能，解决了传统策略的结构不兼容问题，为高能量密度锂金属电池提供了可行且可规模化的方案，也为钠、钾等金属电池的界面调控提供了借鉴。