随着低空电动飞行器（如电动垂直起降飞行器）和无人机的兴起，对轻量化、超高比能电池技术的需求日益迫切。而传统的锂离子电池基于“摇椅式”化学原理，已经达到了能量密度瓶颈。一种突破该限制的策略是直接在负极集流体上进行锂的沉积和剥离，与高镍层状三元正极（LiNi₀.₉Co₀.₀₅Mn₀.₀₅O₂，NCM90）配对，有望实现能量密度的大幅提升（~500 Wh/kg/~2000 Wh/L），同时降低负极的材料和制造成本。然而，这种设计面临锂库存快速耗尽的挑战，主要是由于电化学孤立锂（dead-Li）的不断形成和固体电解质界面（SEI）的持续重建。

针对上述问题，松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所黄学杰研究员与南方科技大学王启迪副教授合作提出了一种双梯度金属（DGM）层的创新方案，通过促进均匀的锂沉积和原位形成稳定的固体电解质界面（SEI）来减少活性锂的损失。这种双梯度界面层的设计思路在于：1)亲锂的外侧金属层提供了丰富的成核位点，降低了成核过电位。其起伏的结构缓解了局部电流密度高和应力分布不均匀的问题，保证了初始Li沉积均匀，保持了结构的完整性；2)内部多孔金属-碳层具有混合离子-电子导电性，在电镀/剥离过程中适应Li金属的体积膨胀，同时实现快速的电荷转移反应；3) 碳骨架由于其高模量为Li-Me-C纳米复合层提供了机械支撑，防止了金属的聚集，确保Li-Me合金牢固地粘附在Cu集流器上；4) 金属-碳簇与FSI-阴离子表现出强烈的相互作用，促进了阴离子衍生的稳定SEI层的形成。该文以Dual-Gradient Metal Layer for Practicalizing High-Energy Lithium Batteries为题目发表在《Nature communications》(10.1038/s41467-025062163-5)上。松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所田孟羽博士为本文第一作者，松山湖材料实验室为文章的第一单位。目前，锂离子电池团队正基于这一概念研发新一代超高密度电池。

图1 双梯度金属层的概念图。a)锂电池能量密度发展路线图，b)传统金属外延层和三维集流体改性示意图，c)本工作提出的双梯度金属层作用示意图。

通过SEM、FIB和micro-CT等多种表征手段证实，基于双梯度金属层的锂金属电池实现了致密的锂金属沉积，仅表现出2.6%的超低孔隙率。同时，CT表明双梯度金属层和单金属Ag层中的Ag含量类似，但基于传统单层Ag外延层沉积的锂金属表现出更明显的Ag团聚行为，这说明双梯度金属层有效分散了锂金属沉积和剥离过程中不均匀电流诱导的成核驱动力，避免了金属外延层的团聚失效行为。

图2 金属锂的形貌表征。a-c)金属锂在1-50次循环后的表面形貌变化，d-f)金属锂在1-50次循环后的截面变化，g-i)通过micro-CT分析的金属锂中孔隙和Ag团聚体的三维分布。

作者以松山湖材料实验室研制的软包电池的标准组装方案，评估了基于双梯度金属层的Ah级软包电池的实际可行性（实际面容量为7.25 mAh cm^-2，电压窗口3.4—4.4V）。基于普通铜箔组装的电池循环寿命仅为60次，而改性后的电池在160周循环后仍具有80%的高容量保持率。进一步的，作者验证该双梯度金属层的概念不依赖于单一的贵金属Ag，在Al、Sn和Zn等较为廉价的金属上也得到了证明，为其商业应用指明了方向。

图3 双梯度金属层的实用化验证。a，b)Ah级软包电池的光学照片和循环性能，c)电池性能横向对比，d，e)基于Al、Zn、Sn等元素的双梯度金属层概念扩展验证。

文章链接

https://www.nature.com/articles/s41467-025-62163-5

撰稿：锂离子电池团队