重庆大学魏子栋/重庆理工大学周圆圆团队， ESM观点：超薄锂金属负极从机制走向工业制备

第一作者：许瑞

通讯作者：陈胜*，周圆圆*，李存璞*

单位：重庆理工大学，重庆大学

锂金属负极（LMA）凭借其极高的理论比容量（3860 mAh g⁻¹）和最低的电化学电位，被认为是实现下一代高能量密度电池（如锂硫、锂空电池）的关键负极材料。然而，使用传统的厚锂箔（≥50 μm）会牺牲电池的能量密度。相比之下，超薄锂金属负极（≤20 μm）能将电池的实用能量密度提升2.5倍以上，同时降低成本超过60%。因此，如何实现稳定、超薄的锂金属负极，已成为推动高能量密度锂金属电池（LMBs）商业化的核心挑战。本文系统地综述了实现超薄锂金属负极面临的科学机理挑战与主流制备技术，并展望了未来的工业化方向。

近日，重庆大学的魏子栋教授团队在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Ultrathin Lithium Metal Anodes from Mechanisms to Manufacturing”的观点文章。该文章深入探讨了为实现高能量密度锂金属电池，开发≤20 μm超薄锂金属负极的必要性、所涉及的关键科学机理以及当前主流的制造工艺。文章从电极稳定性机理和超薄电极制造技术两个视角，系统梳理了该领域的最新进展，并分析了核心挑战与未来发展方向。

为了实现系统级500 Wh kg⁻¹的能量密度目标，必须采用锂金属负极。然而，简单地使用过量锂（厚锂箔）来补偿循环中的活性锂损耗，会严重降低电池能量密度并加剧副反应。计算表明，对于典型的面容量为3 mAh cm⁻²的正极，理论上仅需约15 μm厚的锂即可匹配（N/P ≈ 1.03）。使用50 μm的商用厚锂箔意味着引入了三倍以上的非活性锂，显著降低了负极能量密度。因此，将锂金属负极厚度减薄至20 μm以下，并维持高循环稳定性，是提升全电池能量密度的必由之路。

将锂金属减薄至微米尺度，会放大界面和尺寸效应，带来独特的失效机制：（1）锂成核与生长动力学：有限的锂库存要求成核位点必须均匀且密集。否则，在剥离过程中孤立的锂簇会形成“死锂”，导致容量迅速衰减。基底的性质（亲锂性）对超薄体系中的成核行为影响尤为显著；（2）界面化学与SEI形成/演变：超薄锂金属具有更高的表面积体积比，这意味着参与固态电解质界面（SEI）形成的锂比例大幅增加，不可逆的活性锂消耗更严重。同时，循环中反复的体积变化所产生的机械应力在超薄结构中被集中，导致SEI更易破裂和重新生成，加速了电解液和活性锂的损耗；（3）力学行为与形貌演化：超薄锂金属被约束在集流体和隔膜之间，限制了其塑性流动和应力释放能力。内部应力（源于电镀过程中的体积膨胀和不均匀离子输运）和外部应力（堆叠压力）共同影响锂的沉积形貌。不当的应力分布会导致剪切带形成、产生孔隙以及与集流体分层，这是性能快速衰退的主要原因。

主流超薄锂金属负极制备技术：（1）机械辊压法：最成熟、成本效益高、生产效率高且易于放大生产。但纯锂金属屈服强度低、活性高，在轧薄至20 μm以下时易出现粘辊、撕裂问题，且塑性变形会引入微观缺陷，影响电化学性能。通过使用锂合金或复合材料、优化辊压工艺参数可以改善；（2）熔融锂法：利用熔融锂的流动性，通过刮涂或浸渍工艺，结合亲锂性基底，可制备均匀度较好的超薄锂层。其微观结构和性能高度依赖于基底亲锂性。挑战在于需要改善基底润湿性、降低熔融锂表面张力，且高温操作存在安全风险和工艺复杂性；（3）化学/电化学法：能够精确控制沉积锂的厚度。但其沉积锂的形貌和质量严重依赖于电解质配方、基底性质和电镀参数，容易产生多孔、苔藓状或枝晶状沉积，导致库仑效率低。此外，该工艺步骤多、耗时，在通量和规模化方面目前落后于前两种方法；（4）真空蒸镀技术（如PVD、磁控溅射）：能制备纯度最高、厚度可控性最好（可达纳米级）、微观结构最均匀的超薄锂膜，界面稳定性好。但目前设备投资和运营成本极高，生产效率低，主要用于基础研究和建立理想模型，工业化仍处于早期阶段。

尽管在表面改性、电解质优化和电极结构设计方面已取得显著进展，但从工程和系统能量密度角度看，实现可工业化生产、兼具高循环稳定性和安全性的超薄锂金属负极（≤20 μm）仍是迈向商业应用的核心挑战。展望未来，该领域的研究需聚焦于推动超薄锂负极制造工艺的开发与中试验证，并同步建立统一的表征与测试标准以夯实比较基础。同时，发展连接工艺参数、微观结构与电化学性能的多尺度理论模型，将为工艺优化提供科学指导。最终，通过加强材料、工艺、设备等环节的跨学科与产学研协同设计，方能攻克从实验室样品到规模化产品的转化难题。随着固态电池时代的临近，超薄锂金属负极的产业化可行性，无疑将成为锂金属电池从前沿研究走向具有市场竞争力的商业化产品的决定性因素。

Ultrathin lithium metal anodes from mechanisms to manufacturing

周圆圆教授简介：2023年博士毕业于重庆大学，2023-2025年在电子科技大学乔梁教授课题组从事博士后研究，入选全国博士后创新人才支持计划。主要研究方向为电化学、燃料电池、二次电池。以第一作者/通讯作者在Nat. Energy、Nat. Catal.、Energy Storage Materials等期刊发表论文8篇。2025年入职重庆理工大学牵头组建表界面科学与新能源器件课题组，任特聘教授。

李存璞教授简介：重庆大学化学化工学院教授，博士生导师，特种化学电源全国重点实验室副主任，“锂电及新材料遂宁研究院”副院长，中国化学会科普工作委员会委员，锂资源综合利用与新型电池基础锂材料四川省重点实验室副主任，四川省特聘专家。主要研究领域为电有机合成与能源化学、计算化学等，研究成果以通讯作者在Sci. China Chem., J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Matter,Chem. Sci.等期刊发表。兼职中国科协“科普中国专家”，所著科普文章于“学习强国”、“返朴”、“科普中国”、“中科院物理所”、《青年文摘》、《发明与创新》、《飞碟探索》等平台（期刊）发布或转载。

魏子栋教授简介：教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目首席科学家，国家自然科学基金重大项目首席科学家，国家自然科学基金“多项反应传递与转化调控”创新群体骨干成员，“化工过程强化与反应”国家地方联合工程实验室主任。中国石油和化学工业联合会“电解水耦合绿色化工合成”重点实验室主任，重庆市“新能源化工”创新团队学术带头人，“锂电及新材料遂宁研究院”创院院长。作为项目或课题负责人主持国家重点研发计划项目1项，国家自然科学基金重大项目1项，国家“863”高技术项目1项、课题3项，国家“973”重大基础研究计划课题2项，国家自然科学基金重点项目3项，省部级重大研究项目4项。获省部级科学技术奖励一等奖、二等奖各1次。发表学术论文300余篇，他引19000余次。申请发明专利41项，获授权33项。出版《电化学催化》《氧还原电催化》专著2部。