无负极锂金属电池负极侧不预放置金属锂，充电时锂离子直接沉积在铜集流体表面，可轻松实现 400Wh/kg 以上质量能量密度、1000Wh/L 以上体积能量密度。但锂沉积易生成疏松、苔藓状甚至枝晶结构，伴随反复沉积-剥离、粉化以及 SEI 膜重构，电芯会持续发生膨胀。当电池被模组、刚性外壳约束，无法自由鼓胀时，形变不会消失，而是转化为电芯内部应力。

图2

如图2所示，研究对比了传统锂离子电池、AF-LMB、锂金属电池的膨胀差异。在设备模拟的恒厚刚性约束条件下，电芯叠层数量越高，应力叠加效应越突出：2层、6层、12层无负极电芯峰值压力分别约1 MPa、2.5 MPa、5 MPa，12层电芯应力积累达到传统石墨负极锂电池的6倍。受挤压后电芯孔隙率损失最高可达 20%，远高于普通锂电池3%的水平；压力升高会挤压隔膜孔隙，增大电池极化，严重时造成隔膜闭合、锂枝晶刺穿，引发电池失效。过去行业尝试采用多孔骨架容纳锂沉积，但多孔层厚度、重量增加又会直接损耗能量密度优势，陷入性能取舍困境。

图3

如图3展示SAB工作机理：无缓冲层时锂会向外沉积，无法抑制膨胀；SAB依靠底部亲锂诱导层搭配三维导电骨架，引导锂金属在缓冲层内部受限填孔沉积。SAB 兼具双重作用，既提供锂沉积所需内部孔隙，又如同弹性弹簧，在锂循环过程中吸收形变，缓解自生应力。多物理场模拟和原位压力测试证实，搭载SAB的电池充电压力可以下降至接近传统锂电池水平。

图文摘要图直观呈现 SAB 设计逻辑与电池循环对比，普通无负极电池循环快速衰减，SAB 改性电池循环寿命显著提升，同时兼顾低膨胀、低应力集中、低应力积累多项指标。

2.2 基于SAB多叠层软包电池性能验证

图4

本研究中开展了不同叠层数的软包电池的验证。图4为多叠层电池循环、压力以及原位X-ray CT测试结果：对照组满电状态电芯厚度膨胀70μm；SAB-AF-LMB 厚度几乎无变化。即便叠层提升至12层，SAB体系依旧可以将膨胀速率稳定控制在0.02%/cycle以下；随叠层增加，SAB改性电池到达80%容量保持率的循环寿命衰减幅度很小，对照组性能则快速下滑。

图5

2.3 基于SAB的Ah级实用化软包电芯测试结果

图6

图6为Ah 级 SAB-AF-LMB（SAB-Cu||NCM9）与对照 AF-LMB（Cu||NCM9）的比较测试结果。在16层、Ah级SAB-Cu||NCM9软包电芯中，SAB将局部压差由约3 MPa降低至约1 MPa，局部最大压力也由约8 MPa降低至约2.4 MPa。该电芯实现了465 Wh/kg的裸电芯质量能量密度和1330 Wh/L的体积能量密度，并避免了对照组电芯在高载量和刚性约束下出现的枝晶穿刺失效。

图7

图7为另一款1.2Ah级Li₁.₂NCM811||SAB-Cu电芯的测试结果，从结果上看裸电芯质量能量密度达到418Wh/kg，体积能量密度达到1061Wh/L；循环164周后容量保持率为77%，电芯膨胀率仅为3.6%，整体应力积累维持在较低水平。而对照组电池100圈后膨胀率高达约28%，循环寿命也因库伦效率跳水在不到100圈而终止。这意味着SAB将膨胀速率控制在约0.02%/cycle，接近商业LIB可接受水平。与此同时，SAB在整颗电芯中的质量占比仅约2%，没有因为增加缓冲结构而明显牺牲能量密度。

03 小结

该研究跳出单一指标优化思路，完成高能量密度、低膨胀、低应力、多叠层、Ah级电芯的协同优化；元能科技设备提供的原位力学、电学表征手段，是解析应力膨胀耦合关系、实现方案落地不可或缺的实验基础。SWE2110 原位膨胀仪承担电芯力学表征工作，论文中 2/6/12 层电芯压力数据全部基于该设备完成。BER2500极片电阻仪主要用于SAB骨架材料电导率验证与快速筛选。

04 原文链接