东南大学吴宇平、程新兵等Materials Today：从材料革新到系统工程-高能量密度锂金属电池发展路线图

第一作者：沈乃潞

通讯作者：程新兵*

单位：东南大学

随着电动设备续航需求激增，开发高能量密的储能系统成为技术革新焦点，尤其下一代电动航空平台需突破甚至700 Wh kg⁻¹的极限。锂金属负极凭借3860 mAh g⁻¹的超高理论比容量成为理想选择，但传统正极材料（如钴酸锂、磷酸铁锂）已接近理论容量极限，严重制约电池性能提升。锂金属电池的能量密度依赖于正极比容量（QAM）、工作电压（VAM）和活性物质占比（RAM）的协同优化，然而高负载正极引发的结构失稳、电解质分解及锂枝晶生长等问题亟待解决。本文系统分析插层型、有机型及转化型正极材料的突破性进展，提出通过界面工程、电解质设计及电极结构优化等策略，推动安时级锂金属软包电池实现超越350 Wh kg⁻¹的工业化应用，为下一代高能储能系统提供技术路线。

近日，来自东南大学的吴宇平、程新兵等，在国际知名期刊Materials Today上发表题为“From materials innovation to system engineering: A roadmap for high-energy-density lithium metal batteries.”的综述文章。本文系统剖析了高能量密度电池的设计范式，聚焦比容量、工作电压与活性物质占比的协同优化机制。研究显示，氧化物、有机材料、转化型及硫基正极通过比容量提升，结合电压提升、载量优化及无负极设计等策略可进一步突破性能极限。然而，高能量密度体系普遍面临循环寿命衰减与安全风险加剧的挑战。为此，本文提出涵盖高容量正极、新型电解质与先进负极的协同优化方案，并通过安时级软包电池（>350 Wh kg⁻¹）的实证研究，构建了从材料创新到工程应用的转化路径，为推进锂金属电池产业化提供理论指导与技术路线。

为实现能量密度超过350 Wh kg⁻¹的锂金属电池，高容量正极材料的开发呈现多元化趋势。嵌入型氧化物正极通过拓扑锂离子脱嵌机制实现250-300 mAh g⁻¹可逆容量，但受限于氧化还原不可逆性和过渡金属溶解问题；转化型正极凭借多电子转移反应理论容量超500 mAh g⁻¹，却面临晶格膨胀引发的机械应力挑战；硫基正极理论容量高达1675 mAh g⁻¹，但液态体系存在多硫化物穿梭效应，固态体系受限于固-固界面动力学。新兴有机正极和二次化设计的一次电池正极（如CFx）展现出860 mAh g⁻¹的高理论容量，但需解决循环稳定性问题。尽管各类正极材料在比容量上呈现氧化物、有机、转化型和硫基的递进关系，能量密度的提升仍需平衡电极结构稳定性与电池安全性，通过材料创新与系统优化推动高能电池的实用化进程。

提升电压平均（VAM）是提高锂金属电池能量密度的有效策略，其中正极材料的选择尤为关键。不同正极体系具有本征电压特性差异：转化型与硫基正极工作电压普遍低于嵌入型氧化物正极。当前研究聚焦高电压正极开发，包括尖晶石氧化物、富镍/富锂层状氧化物及聚阴离子化合物等方向，这些材料体系通过优化电压平台为能量密度突破提供重要路径。

无负极锂金属电池（AFLMBs）通过仅从正极获取锂源，利用金属集流体直接沉积锂，无需额外锂储备，显著提升能量密度（如正极负载60 mg cm⁻²时达486 Wh kg⁻¹）并增强安全性。但其核心挑战在于铜集流体的憎锂性导致锂沉积不均匀，引发枝晶生长、死锂积累及循环稳定性下降。当前研究聚焦三维亲锂框架和界面工程策略：例如银修饰铜基底降低成核过电位，电解质衍生SEI膜抑制副反应；固态电池中采用Ag-C复合层或动态界面设计改善固-固接触并调控锂沉积。然而，现有动态界面技术多针对传统锂负极，无负极系统的专用策略仍需突破，以实现高能量密度、长循环寿命与安全性的协同优化。

高能量密度软包电池的研究同样应聚焦于液态与固态电解质系统的优化。液态电池通过对隔膜和电解质设计实现稳定界面，使能量密度突破350 Wh kg⁻¹并提升循环性能；固态电解质则借助不可燃离子液体和热响应聚合物显著增强安全性，抑制热失控风险。尽管全固态锂金属电池（ASSLMBs）在安全性上具备潜力，但其能量密度和低堆压运行能力仍需突破，目前仍处于基础研究阶段。未来需同步推进电解质工程与固态技术，以开发兼具高能量密度和本质安全性的下一代电池体系。

锂金属作为高能量密度电池的理想负极材料，虽具备超高理论容量和低电极电位优势，但其枝晶生长和界面不稳定性严重制约循环性能与安全性。研究通过3D宿主结构、人工界面工程及电解质优化策略，有效调控锂沉积行为并抑制枝晶，推动软包电池能量密度突破350 Wh kg⁻¹。尽管无负极架构在界面稳定性和锂补偿技术上取得进展，但现有软包电池在容量和能量密度方面仍与工业需求存在差距，需进一步协同材料创新与系统设计以实现理论性能突破。

高能量密度锂金属电池的发展通过材料设计与系统工程的协同创新，实现了从扣式电池到软包电池的突破。研究揭示了正极材料容量提升与面载优化对系统性能的关键作用，但厚电极结构稳定性与无负极配置的不可逆锂损耗仍是挑战。当前技术需攻克热安全性、电解质兼容性及枝晶抑制等核心问题，同时推动智能管理系统和可持续回收框架的系统级整合，以跨越实验室成果与商业化应用之间的鸿沟，最终实现兼具高能量密度、长循环稳定性及本质安全性的下一代储能体系。

From materials innovation to system engineering: A roadmap for high-energy-density lithium metal batteries.

程新兵教授简介：东南大学教授/博导，能源与环境学院副院长。长期从事能源材料与高安全电化学工程，尤其涉及锂金属/硅基高比能电池、锂/钠离子储能电池、固态电池等相关工作。共发表SCI论文150余篇，他引38000余次，H因子87。以（共同）第一/通讯作者在Chem Rev、Nat Commun、Sci Adv、Chem、Joule、Adv Mater、Angew Chem Int Ed、Energy Environ Sci等期刊发表论文50余篇。授权中国专利12项，主持国自然重大培育基金、江苏省杰出青年基金等。获得教育部青年长江学者、科睿唯安高被引学者、爱思唯尔中国高被引学者等荣誉，担任中国全固态电池产学研协同创新平台专家委员、中国颗粒学会能源颗粒材料专委会秘书长等职务。

沈乃潞，东南大学能源与环境学院博士研究生，师从程新兵教授。主要从事高比能、长寿命的全固态锂金属电池研究。以第一作者在Materials Today，Advanced Functional Materials，ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊共发表SCI论文6篇 。

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