无负极锂金属电池(anode|free lithium|metal batteries, AF|LMBs)省去了负极活性材料，使锂金属在充电过程中直接沉积于集流体表面，因而有望在电芯层面提高水平和体积能量密度，被觉得是下一代高比能电池的要紧候选体系之一。但在软包电池的实质运行中，AF|LMB 仍面临两个相互牵制的难题：电芯膨胀与容量迅速衰减。锂金属在反复沉积与剥离过程中，产生“死锂”与持续破碎与重构的固态电解质界面(SEI)，进而导致电池容量衰减。同时这类产物会带来电芯厚度的不可逆增加。
研究背景
无负极锂金属电池(anode|free lithium|metal batteries, AF|LMBs)省去了负极活性材料，使锂金属在充电过程中直接沉积于集流体表面，因而有望在电芯层面提高水平和体积能量密度，被觉得是下一代高比能电池的要紧候选体系之一。但在软包电池的实质运行中，AF|LMB 仍面临两个相互牵制的难题：电芯膨胀与容量迅速衰减。锂金属在反复沉积与剥离过程中，产生“死锂”与持续破碎与重构的固态电解质界面(SEI)，进而导致电池容量衰减。同时这类产物会带来电芯厚度的不可逆增加。然而电池膨胀与容量衰减和锂金属可逆性有什么关联，一直未在实质工况中被原位量化。在软包电池和模组的机械约束下，这种厚度变化还可能转化为整体应力积累，并随着局部应力集中，进而诱发隔膜孔隙闭合、离子传质受阻，甚至增加枝晶刺穿隔膜的安全性风险。因此，AF|LMB 的优化目的需要从单一的电化学性能提高，转向电化学可逆性、低膨胀特质与高能量密度的协同设计。
研究介绍
第一项工作《Correlating Volume Expansion and Cycle Life in Anode|Free Lithium|metal Pouch Cells》旨在分析膨胀演化机制，并打造“膨胀演化—锂可逆性—循环寿命”之间的原位半定量关联。研究团队通过引入原位膨胀监测技术，将电芯在循环过程中的复杂膨胀响应，解耦为最大膨胀 Smax、不可逆膨胀 Sir 与可逆膨胀 Sre 等可量化指标，并提出可逆膨胀比(Re|ratio = Sre/Smax)作为描述符，用于原位表征锂沉积/剥离过程的可逆性。研究团队通过调控机械约束和循环程序，以保证尽量高的可逆膨胀比。基于该办法论，最后在100mAh级的无负极金属锂软包中，达成了150圈88%容量维持(450Wh/kg)和190圈80%容量维持(420Wh/kg)的循环性能。该文章发表在eScience Energy上。
图文摘要1 膨胀演化与锂可逆性、容量衰减的关联。研究团队将 100% SOC 下的最大膨胀 Smax 分解为不可逆膨胀 Sir 和可逆膨胀 Sre，并提出 Re|ratio = Sre/Smax，用于描述单圈膨胀响应中可恢复的部分。Sir 迅速累积对应死锂/SEI 加速堆积，一般预示容量迅速衰减。
第二项工作《Breaking Energy Density|stress Trade|off in Anode|free Lithium Pouch Cells》进一步面向“怎么办膨胀”这一问题展开。研究团队从实用化软包电池的力学约束出发，提出高能量密度与低应力积累之间存在明确权衡，设计了空间自适应缓冲层(SAB)结构——一套材料设计窗口参数与模型材料策略，试图在不牺牲能量密度的首要条件下为锂沉积提供缓冲空间。具体而言，该工作从沉积锂膨胀体积、应力释放和能量密度三重约束出发，打造了以缓冲层孔隙率、厚度和真实密度为核心的多参数设计准则;并通过亲锂诱导层结合多孔骨架引导锂在 SAB 内部受限沉积。最后在安时级基于超高镍NCM9正极的465Wh/kg和1330Wh/L能量密度的无负极软包电池中达成了稳定循环，应力集中水平2MPa。并在基于预锂化高镍Li1.2NCM811正极的无负极软包电池中(能量密度：418 Wh/kg 和1061 Wh/L)达成了164圈的循环寿命(77%容量维持)，小于2MPa的低膨胀应力和3.6%的膨胀率。最后达成无负极锂电池的的高能量密度、低应力集中、低体积膨胀和低应力积累的协同优化。该文章发表在Advanced Materials上。
图文摘要2 依托以能量密度为核心的设计准则，该缓冲层可以促进锂在内部均匀填充，缓解膨胀带来的应力累积与局部应力集中问题，保留锂金属体系高能量密度的固有优势，最后让多叠层基于SAB的无负极软包电池(SAB|AF|LMB)在实质工况条件下达成循环寿命的显著提高。
核心部分
AF|LMB 与传统锂离子电池的重点差异在于，其负极侧初始不含石墨等锂存储宿主材料。充电过程中，正极脱出的锂离子直接在裸铜集流体表面还原沉积为金属锂;理想状况下，这部分沉积锂应被完全剥离并重新回嵌至正极。然而在实质循环中，金属锂沉积总是展示枝晶状或苔藓状等疏松多孔、高比表面积形貌，剥离并不充分，最后形成死锂/SEI复合不可逆产物。因此，电芯厚度演化并不是单纯的机械力学现象，而是锂金属沉积/剥离可逆性的侧面反映。若单圈充电产生的膨胀可以在放电后充分恢复，说明沉积锂具备较高的剥离可逆性;若放电后仍保留明显的不可逆厚度增量，则意味着活性锂和电解液正在被持续消耗并生成不可逆产物，容量衰减也将随之累加。
第二项工作进一步从软包电池的实质服役约束出发，将研究对象从“膨胀本身”推进到“能量密度—应力积累”的系统权衡。在近刚性约束下，AF|LMB 中锂沉积/粉化引发的体积变化很难通过电芯自由膨胀释放，而会转化为整体应力积累与局部应力集中，进而压缩电极/隔膜孔道、恶化离子传输并增加短路风险。单纯依靠更高外部重压或片面追求零膨胀，都可能以牺牲传输动力学或能量密度为代价。
第一项工作第一通过原位膨胀与重压监测，对比了两种代表性的机械约束模式：由弹簧夹具提供近恒压工况的 ACP 模式，与由刚性夹具限制厚度变化的 ACT 模式(实质工况)。两种模式的初始重压均设定为 0.04 MPa，但膨胀响应存在明显差异。
在 ACP 模式下，电芯会推进弹簧产生明显厚度变化，首圈放电后约 65% 的最大膨胀得以恢复;而在 ACT 模式下，电芯膨胀主要转化为内部重压增长，其首圈 Re|ratio 达到约 96%。循环 50 圈后，ACT 模式的 Re|ratio 仍保持在约 56%，容量维持率约为 86%;相比之下，ACP 模式的 Re|ratio 降低至约 23%，容量维持率约为 81%。这一结果表明，适合的机械约束可以促进锂的致密沉积与较高效剥离。
图1. (论文一 Fig. 2)不同机械约束模式下 AF|LMB 的膨胀行为。不同机械约束模式下 AF|LMB 的膨胀行为。(a,b)近恒压模式(ACP)与近恒厚模式(ACT)下的原位厚度变化和重压响应;(c)两种模式下 Re|ratio 随循环的变化;(d)两种模式对应的循环性能。
随后，大家借用 百度竞价推广 形貌表征与重压|厚度换算进一步剖析其形貌结构。首圈充电后，ACT 模式下的沉积锂厚度约为 37 μm(对应孔隙率约 26%);而 ACP 模式下沉积锂厚度约为 48 μm(对应孔隙率约 44%)。伴随循环的进行，ACP 条件下不可逆锂的疏松程度增加，表明循环后期的膨胀主要由不可逆死锂与 SEI 的累积所主导。为确定较优运行工况，大家系统考察了初始堆叠重压与充放电程序。研究发现，适度提高初始重压可抑制 Smax 和 Sir 的增长，但过高重压会增加孔道曲折度，妨碍离子传输。综合考量锂沉积致密化与离子传输效率，在本实验条件下，0.3 MPa 表现为更优初始堆叠重压。在循环程序上，慢充快放(0104，即 0.1 C 充电 / 0.4 C 放电)模式更有益于电池的稳定运行。
在上述膨胀指标的指导下，大家组装了 120 mAh 级软包电池并进行验证。
450 Wh/kg 的 Cu||Li1.2NCM811 电池在 ACT|0.3 MPa 条件及 0104 充放电程序下，循环 150 圈后维持约 88% 的容量维持率。进一步引入外延诱导沉积集流体(E|Cu)后，420 Wh/kg 的 E|Cu || Li1.25NCM811 软包电池在 190 圈循环后达到 80% 的容量维持。
图2.(论文一 Fig. 5)膨胀指导方案在实用软包电池中的验证。(a)450 Wh/kg Cu || Li1.2NCM811软包电池在 0104 与 0204 程序下的循环性能;(b)0104 程序下电池的电压曲线与实物图;(c)420 Wh/kg E|Cu || Li1.25NCM811 软包电池的能量密度、容量维持率和 Re|ratio。
上述结果也提示了一个后续需要处置的问题：即便通过外部约束和循环程序优化，AF|LMB 的本征体积膨胀仍很难完全防止。比如在 420 Wh/kg 电芯中，平均重压在循环后期从约 0.7 MPa 增加到约 2.0 MPa，Re|ratio 由 95.2% 降低到 33.5%。这说明有必要从电芯结构层面为锂沉积提供可容纳的空间。
第二项工作正是沿着这一问题展开。大家使用恒厚模式(constant thickness mode, CTM)模拟刚性约束下的实质工况，量化多叠层 AF|LMB 的整体应力积累。结果显示，2、6、12 叠层的 AF|LMB 在首圈充电中最大整体重压分别约为 1、2.5 和 5 MPa;12 叠层 AF|LMB 在 100% SOC 下的应力积累约为对应 锂离子电池(LIB) 的 6 倍。
图3.(论文二 Fig. 1)AF|LMB 中的应力积累问题与能量密度|应力权衡。(a)LIB、AF|LMB 和 LMB 的电芯膨胀率对比;(b)不同约束条件下充电后的应力与厚度变化示意;(c|e)恒厚模式下多叠层 AF|LMB 与 LIB 的重压、厚度和孔隙率变化;(f,g)空间自适应缓冲层(SAB)的孔隙率、厚度、体积能量密度和水平能量密度设计边界。
基于上述发现，大家为多孔缓冲层打造了设计准则：为使 AF|LMB 同时达到体积能量密度超越 1000 Wh/L、水平能量密度超越 400 Wh/kg，并将整体应力积累控制在 2 MPa 以下、膨胀速率控制在约 0.02%/cycle，SAB 需要提供至少等于理论致密锂体积 160% 的预留空间。因此，该缓冲层需要同时兼顾高孔隙率、低厚度与低真实密度。
在材料工程达成上，大家构筑了集成诱导层与应变缓冲框架的 SAB|Cu 结构。该结构借助亲锂诱导位点与三维孔道互联网，自下而上地引导锂金属在缓冲层内部沉积。多物理场模拟(COMSOL)与电化学测试一同表明，SAB 内部优化的离子浓度场分布和电流密度有益于锂金属的“填孔”沉积;同时，SAB 电极展示出更高的交换电流密度与更低的沉积过电位。
图4.(论文二 Fig. 1)面向 AF|LMB 的 SAB 设计。(a)SAB|Cu 有哪些用途机理示意：锂若沉积在 SAB 外部则很难抑制膨胀，若被限制在 SAB 内部则可达成膨胀抑制;(b)SAB 中锂离子扩散、浓度场、电流密度和锂填孔行为模拟;(c)有无 SAB 的 2 叠层 AF|LMB 原位重压监测对比。SAB|Cu|| NCM811 电池最大重压约 0.34 MPa，接近传统 LIB 的水平。
实质工况测试进一步验证了 SAB 的降膨胀和降应力用途。双叠层软包测试中，SAB|AF|LMB 与对照 AF|LMB 的容量维持率接近，说明引入 SAB 未明显牺牲循环可逆性;但重压幅值 ΔP 从对照电池的约 0.42 MPa 降至约 0.18 MPa。原位 X|ray CT 显示，对照 AF|LMB 从 0% SOC 到 100% SOC 发生约 70 μm 厚度膨胀，而 SAB|AF|LMB 厚度基本维持稳定。当叠层数增加到 12 层，SAB 的降应力用途仍然可见。SAB|AF|LMB 在 100 圈后维持较好循环性能，平均库伦效率超越 99%;同时中位重压增加约 1.29 MPa，并维持低于 2 MPa。不同叠层数对比表明，SAB|AF|LMB 在 2、6、12 叠层下达到 80% SOH 的循环寿命基本稳定在约 60 圈，而对照电池随叠层数增加降低更快。
图5.(论文二 Fig. 3)SAB 减少膨胀速率和整体应力积累有哪些用途。(a)2 叠层AF|LMB (SAB|Cu || NCM811)与 SAB|AF|LMB(SAB|Cu || NCM811)的循环性能和重压幅值;(b)不同 SOC 下原位 X|ray CT 图像;(c)12 叠层电池的循环性能与中位重压;(d|f)不同叠层数下循环稳定性、重压归一化比值和膨胀速率对比。
除去缓解整体应力，减少局部应力集中也是软包 AF|LMB 减少安全风险的要紧环节。大家借助重压分布传感器矩阵进行原位监测，发现 SAB|AF|LMB 在满充状况下重压分布更均匀，重压分布方差约为 0.005 MPa2，低于对照组的约 0.033 MPa2，相差约 6 倍。SAB|AF|LMB 在充电状况下局部最大重压增加约 0.17 MPa，而对照电池约为 0.31 MPa。这一结果具备直接安全意义：在没 SAB 的电池中，局部重压峰值可接近初始重压的几十倍，整体重压读数可能掩盖局部应力集中。SAB 通过让锂在内部空间中更均匀沉积，缓解局部应力峰值，能够帮助防止锂枝晶刺穿隔膜致使短路。
图6. (论文二 Fig. 4)软包 AF|LMB 的原位重压分布。(a)软包电池实物与重压分布测试地区;(b)2 叠层 AF|LMB 与 SAB|AF|LMB 在 100% SOC 下的重压分布热图;(c)100% SOC 下重压分布方差随循环的变化;(d)循环过程中的原位局部最大重压监测。
进一步放大到 16 叠层 Ah 级电池后，SAB 有哪些用途仍然成立。团队使用高面容量 NCM9 正极(6 mAh/cm2)组装多叠层电池。原位重压监测显示，对照 AF|LMB 的局部应力集中 ΔL|P 约为 3 MPa、局部最大重压约为 8 MPa;SAB|AF|LMB 的 ΔL|P 降至约 1 MPa，局部最大重压约为 2.4 MPa。较低且更均匀的重压分布使 SAB|Cu || NCM9软包电池在 16 叠层结构中防止短路失效。在性能上，16 叠层 Ah 级 SAB|Cu || NCM9电池达成了裸电芯 465 Wh/kg 和 1330 Wh/L 的高能量密度;20 圈后容量维持率约为 88%。相比之下，在更苛刻的恒厚条件下，对照 AF|LMB 因为高面载锂沉积不均和整体应力累积，在初始充电阶段即触发短路失效。
进一步，大家组装了 Ah 级的 SAB|Cu || Li1.2NCM811 软包电池验证体系。该电池裸电芯水平能量密度达到 418 Wh/kg，体积能量密度达到 1061 Wh/L。SAB 在总水平中仅占约 2%，对能量密度影响有限，却显著改变机械稳定性和循环稳定性。在 0.1 C 充电、0.4 C 放电条件下，电池循环 164 圈后仍维持约 77% 容量，达到 80% SOH 的循环数约为 145 圈。与对照组相比，SAB|AF|LMB 的首圈应力积累降至约 0.4 MPa，对照电池约为 2.2 MPa;循环后的电芯膨胀率仅约 3.6%，而对照电池 100 圈后膨胀率高达约 28%。这意味着 SAB 将膨胀速率控制在约 0.02%/cycle，接近商业 LIB 可同意水平。
图7.(论文二 Fig. 6)Ah 级 SAB|AF|LMB(SAB|Cu || Li1.2NCM811|| 软包电池)。(a)首圈充放电曲线、实物图与结构示意;(b)电芯各组分水平占比;(c)循环性能;(d)首圈应力积累与循环后的膨胀率;(e)与已报道 GED 400 Wh/kg 的 Ah 级软包 AF|LMB 比较;(f)SAB|AF|LMB、AF|LMB/LIB 与 LMB 的膨胀综合性能雷达图。
本研究第一部分工作完成了无负极锂金属软包电池膨胀演化的机理分析，成功打造“膨胀演化—锂可逆性—循环寿命”的原位半定量关联体系。研究通过原位膨胀监测技术，将电池循环膨胀响应解耦为最大膨胀(Smax)、不可逆膨胀(Sir)与可逆膨胀(Sre)量化指标，提出可逆膨胀比(Re|ratio)作为表征锂沉积/剥离可逆性的核心原位描述符，明确了不可逆膨胀累积诱发死锂与SEI堆积、进而致使容量衰减的核心计制。研究通过优化机械约束与循环程序提高可逆膨胀占比，在100mAh级软包电池中达成优秀循环性能：450Wh/kg能量密度下循环150次容量维持率88%，420Wh/kg工况下稳定循环190次，有效验证了电池外部膨胀响应与内部锂沉积演化的对应关系，为电池性能优化提供了核心理论支撑。
基于前述机理研究，第二部分工作针对性破解AF|LMBs高能量密度与低应力、低膨胀的技术权衡难点。研究革新设计空间自适应缓冲层(SAB)结构，打造以缓冲层孔隙率、厚度、真实密度为核心的多参数设计准则，依托亲锂诱导多孔骨架达成锂的受限均匀沉积，有效释放电芯内部应力。测试结果表明，SAB结构可将电池整体应力控制在2MPa以内，达成性能大幅突破：Li1.2NCM811基电池达成418Wh/kg、1061Wh/L能量密度，循环164次容量维持率77%，膨胀率仅3.6%;超高镍NCM9基安时级电池达成465Wh/kg、1330Wh/L超高能量密度，同时避免应力集中与锂枝晶短路风险。该结构革新达成了AF|LMBs高能量密度、低应力、低膨胀与高循环稳定性的协同优化。
综上，两项工作形成了从“原位诊断”到“结构调控”的连续推进：前者将电芯膨胀转化为可量化的锂可逆性与寿命衰退信号，并据此优化机械约束和循环工况;后者进一步在电极结构层面为锂沉积提供可用空间，释放由体积变化引发的应力积累，并维持较高能量密度。这一系列研究构建了从机理剖析到工程优化的完整技术策略，为无负极锂金属电池实用化、产业化进步提供了重点可行路径。
文献详细情况
论文1：Kun Qin#, Tingting Xu#, Liumin Suo*, et al. Correlating volume expansion and cycle life in anode|free lithium|metal pouch cells, eScience Energy, 2026https://doi.org/10.1016/j.esen.2026.100076
论文2：Kun Qin#, Liangdong Lin#, Liumin Suo*, et al. Breaking Energy Density|stress Trade|off in Anode|free Lithium Pouch Cells, Advanced Materials, 2026,
https://doi.org/10.1002/adma.73652
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作者介绍
秦坤，中国科学院物理研究所博士，长期专注于金属锂基电池体系开发，博士期间聚焦于软包电池膨胀及电芯失效机理的研究，并提出有效解决方法。曾负责开发、搭建实验室首个电芯膨胀测试平台，涵盖电芯面重压，面内应力分布和体积膨胀原位监控，解决实质工况中高比能电池的应用瓶颈。以第一作者身份在Advanced Materials/eScience Energy上发表文章共2篇，发表学术论文 12 篇。现从事高比能固态电芯开发工作。
林良栋，宁波大学副研究员，博士研究生导师，宁波甬江人才工程年轻人革新人才。从事高能量密度电化学储能材料与装备的研究。近五年主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金年轻人项目、甬江人才工程年轻人革新人才项目、浙江自然科学基金探索一般项目、博士后科学基金面上项目。发表SCI论文20篇，包含：Angew.(2篇)、Adv. Mater.(2篇)、Adv. Energy Mater.(1篇)。
许婷婷，2022于本科毕业于天津大学，现在于中国科学院物理研究所索鎏敏研究员课题组攻读博士学位。主要研究方向为无负极锂金属电池正极、电解液体系设计研究和重压调控，达成真实应用场景下高能量密度、长循环寿命无负极锂金属电池的开发与性能优化。
通讯作者
索鎏敏研究员：中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。长期专注于新型电池体系及其新型电解质基础研究与开发，具体涵盖：(1)下一代锂电池新型电解液体系探索开发及基础科学问题研究;(2)安全、绿色、低本钱高电压水系锂离子储能电池;(3)高能量密度无负极金属锂动力电池(4)高能量密度金属锂硫基动力电池。国家自然科学基金年轻人科学基金项目(A类)获得者，中国科学院年轻人交叉团队负责人，主持承担国家基金委企业联合基金重点项目和国家重点研发计划(课题)等项目。近年来发表论文共计 104篇，申请专利40 项，通讯/一作身份发表论文75 篇，包含Science、Nature Energy/Nature Chemistry(2 篇)、Nat. Commun./Sci. Adv./PNAS/NSR(8篇)、Adv.Mater/Angew/JACS (20 篇) 等，文章 SCI 引用次数大于 20000 次，H因子 60。
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