【研究背景】
开发兼具高重量与体积能量密度（≥500 Wh kg-1和≥1,000 Wh L-1）的锂金属电池，对实现全电飞行器等新质装备长航时运行至关重要。然而，受限于超薄锂负极在苛刻工况（贫液、高面载量正极等）下的低可逆性，电池的循环寿命与高倍率性能严重不足。其根源在于锂沉积行为存在空间非均匀成核与动态不可控枝晶生长，难以在实际器件层面实现全周期的高容量致密镀锂。这不仅造成负极结构疏松，加剧界面副反应，更导致负极/集流体界面接触失效。传统策略难以从全周期维度解决锂沉积的趋向性问题，亟需发展能同时调控锂沉积空间均匀性与时间动态性的负极结构范式，提升锂金属电池的循环与日历寿命，满足无人机等装备对高能量密度与高功率电池的迫切需求。
【文章简介】
近日，董秋江博士在导师胡文彬教授、韩晓鹏教授的指导下在高比能锂金属电池负极研究中取得进展。该工作突破了传统策略孤立优化电极界面或电解液组分的局限，提出了时空耦合的亲锂框架设计。该设计通过同时构建静态的亲锂Li-合金外延界面与动态分散的亲锂Li-合金/LiF体相晶种及SEI，协同调控了锂离子在基底、体相及SEI的全周期吸附与扩散行为，在实际器件层面解决了高面容下锂沉积的空间非均匀性与时间动态不可控问题。基于上述策略，该工作使锂金属全电池稳定循环超1000次，日历循环寿命突破至1.7年以上（>15000 h），实现了软包电池中的高面容致密镀锂，开发出了最大体积能量密度达1210 Wh L-1的微型高能软包锂金属电池（2.8 Ah），并成功应用于微型全电无人机。同时，该工作取得了高比能、高功率、长寿命锂金属电池的性能突破，使兼具504 Wh kg-1和1026 Wh L-1的大容量高比能软包锂金属电池在2C的高倍率放电下稳定循环超150次。该研究发表在能源领域顶级期刊Joule上，董秋江博士为本文唯一第一作者。
【本文要点】
要点一：时空耦合的亲锂框架设计范式，实现多尺度锂沉积趋向性的全周期调控
设计构建了静态的外延型亲锂Li-合金 (Li-Sn)集流体界面，以及动态分散于负极体相中的亲锂Li-M (M=Sn, Mg, Zn)/LiX (X=F, S, I)嵌入型晶种与SEI。在空间上，降低了锂的临界成核能并提高了界面形核率；在时间维度上，持续优化了体相和SEI中的锂扩散行。实现了全周期、高容量下的致密锂沉积趋向，显著提升了超薄锂负极的可逆性。
要点二：静态界面空间引导与自适应转变，动态界面相持续优化锂离子吸附和扩散
实验研究发现，静态外延集流体界面在空间上引导锂的均匀形核，并随锂沉积发生物相的自适应转变；动态体相嵌入型晶种与SEI则通过原位衍生实现均匀分散。理论模拟结果揭示了界面电场与局域电流、离子通量在时空维度上的耦合均匀化。实验与模拟相互印证，证实了该结构设计对全周期锂沉积的时空耦合控制。
要点三：卓越的锂金属全电池循环性能，日历循环寿命超1.7年
时空耦合锂沉积控制实现了负极全周期致密镀锂，有效抑制高比表面积锂枝晶引发的界面副反应，使LCO、NCM811锂金属全电池在1C倍率下循环超1000次，容量保持率仍高于90%；0.5C循环6个月，容量衰减均低于10%；使LCO全电池在0.2C混合静置循环测试中（模拟3C应用场景，每天2次循环），日历循环寿命轻松超过1年（>10000小时），极限寿命超1.7年（＞15000小时），容量保持率仍达80%以上。
要点四：高比能、长寿命、高功率锂金属软包电池实用化，微型高能电池体积能量密度＞1200 Wh L-1
采用超薄负极与高载量NCM正极开发的2.8 Ah微型高能锂金属电池，在0.1C下实现了1210 Wh L-1的体积能量密度，0.2C稳定循环超100次，性能满足微型四旋翼无人机重复起降、空中悬停、快速机动等高功率需求，兼具高能量密度与高功率输出特性。进一步开发出的大容量9.0 Ah软包电池，同时实现了504 Wh kg-1和1026 Wh L-1的能量密度，在2C高倍率放电下循环超150次，容量保持率达80%以上。该研究代表了高比能、长寿命、高功率锂金属电池技术的实用化突破，为无人机、全电飞行器等新兴领域提供了关键的能源技术支撑。
【技术应用】
基于本论文技术的微型高能二次金属锂电池已在胡文彬教授课题组建成年产10000只电芯的批量化中试线，2-2.5 Ah电芯能量密度达400~600 Wh/kg，支持2C、3C长时放电，功率密度达1000~1100 W/kg，循环寿命超100次，欢迎产业、学界咨询。
【文章链接】
论文题目：Spatiotemporally coupled lithiotropic framework enables highly reversible and long-life 1,200 Wh L−1 Li-metal pouch cell
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102302
