深圳国际研究生院周光敏团队合作在固态锂金属电池锂沉积调控研究方向取得新进展
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清华新闻网3月25日电 锂金属电池被视为最有潜力的下一代储能技术之一。然而，锂金属负极在充放电过程中出现严重的枝晶生长，不仅会导致电池短路引发安全隐患，还会造成死锂堆积缩短电池寿命。虽然固态电解质被认为可以解决这一难题，但仍难以完全抑制锂枝晶沿晶界或缺陷处的生长。如何从根本上调控锂的沉积行为，实现无枝晶均匀沉积，是当前锂金属电池实用化面临的重大挑战。
图1.面向无枝晶锂金属电池的固态聚合物电解质（SPE）设计
近日，清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授团队与中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士团队合作，提出了一种“将锂限制在连续成核状态”的全新策略，通过设计并合成具有高粘附性的聚合物电解质，从根本上限制锂枝晶的生长。该研究揭示了聚合物与锂晶面相互作用对沉积形貌的调控机制，为实现高安全、长寿命的锂金属电池提供了新的解决方案。
研究团队受自然界中冰晶生长调控机制的启发，基于Bliznakov-Chernov晶体生长模型，合成了一种基于聚3-丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷（PAMD）的高粘度固态聚合物电解质。该电解质对锂金属表面具有极强的亲和力，粘附力高达315.6 nN，能够有效抑制易形成枝晶的高指数晶面的生长。这种强相互作用迫使锂沉积始终保持为球形颗粒状，并促进其在界面处的连续再成核。这种“颗粒堆积”的沉积模式有效避免了尖端效应，实现了致密且无枝晶的锂金属负极。
图2.锂–SPE界面接触状态对锂负极腐蚀行为及锂–硫电池电化学性能的影响
实验结果显示，基于该策略设计的固态电解质表现出优异的电化学性能。在室温下，该电解质可通过高达9.0 mA cm-2的超高临界电流密度（CCD），并展现出优异的循环稳定性，在0.2 mA cm-2电流密度下能够稳定进行锂沉积/剥离循环长达4500小时。在1C的倍率下，电池可以稳定循环超过500次。此外，将该电解质应用于固态锂硫软包电池中，在35°C下实现了10mg cm-2的超高硫面载量，并保持了良好的活性物质利用率。
通过调控界面粘附力来改变晶体生长动力学，这一连续成核调控策略的设计思路，证明了在高粘度聚合物环境中限制锂生长是实现无枝晶沉积的有效途径。该工作阐明了聚合物-金属界面的相互作用机理，展示了该策略在实用化高能量密度电池中的巨大潜力，为固态电池电解质的设计提供了新的视角与思路。
研究成果以“将锂限制在连续成核状态以实现无枝晶固态锂金属电池”（Confining Lithium in a Continuous Nucleation State for Dendrite-Free Solid-State Lithium Metal Batteries）为题，于3月23日发表于《自然·合成》（Nature Synthesis）。
周光敏、成会明为论文通讯作者。清华大学深圳国际研究生院2025届博士毕业生李闯、已出站博士后卢功勋（现为中国计量大学特聘研究员、副研究员）、2025届硕士毕业生吴羡为论文共同第一作者。研究得到国家自然科学基金委、科技部、广东省科技厅、深圳市科技创新局等的支持。
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