面向无负极锂金属电池的3D碳基亲锂载体：从结构设计到应用挑战

第一作者：杨帆

通讯作者：成方*，杨晓萍*，吴昊*，张义永*

通讯单位：昆明理工大学

本文亮点

1.对三维亲锂碳基载体设计进行了系统概述，明确区分了无负极锂金属电池(AFLMBs)与传统锂金属电池(LMB)的设计原则。

2.对碳基载体亲锂改性策略及其深入机制进行了系统的分类和比较，特别强调了锂成核机制以及亲锂化改性对AFLMB中锂沉积行为的影响。

3.提出新型3D碳基载体的亲锂结构设计及实用化权衡关系的未来挑战和前景，为下一代高性能AFLMBs的研发提供关键理论指导。

研究背景

近年来，锂金属电池(LMBs)作为最具潜力的下一代高能量密度电池之一，受到广泛关注。然而，LMBs在充放电过程中出现的锂枝晶无序生长、体积过度膨胀等难题，严重阻碍了其实用化进程。相比于LMBs，无负极锂金属电池(AFLMBs)结构设计显著降低电池厚度和重量，从而有望实现更高的能量密度。此外，由于电池负极侧不使用高活性锂金属负极(LMA)，避免由此带来的安全隐患并大幅降低制造成本。尽管AFLMBs在能量密度、安全性和成本方面具备显著优势，但由于铜集流体的疏锂特性，会导致锂不均匀沉积。此外，平面铜箔无体积弹性，使得铜箔表面粗糙度增加导致电流密度分布不均，并在凸起处形成局部电流密度集中，显著加剧锂枝晶的生长。相比于金属基集流体，碳基材料的引入，更能弥补这些缺点，并且具有导电性好、泛用性广、成本低、热稳定性好和机械强度高等优点。因此，设计三维(3D)亲锂碳基载体替代传统金属集流体，成为构筑高性能AFLMBs的有效策略。

文章简介

近日，昆明理工大学冶金与能源工程学院成方(特聘副教授)等人，对3D亲锂碳基载体的结构设计及其在AFLMBs中所取得的最新研究进展进行了系统综述，详细总结了3D亲锂碳基载体的设计策略、作用原理及其对AFLMBs性能的影响机制。首先，综述明确区分了AFLMBs与传统LMBs在设计原则上的差异，系统阐述了锂成核热力学、锂离子输运动力学及锂失效机制。其次，综述对比分析了针对碳基载体的各类亲锂改性策略及其深层作用机制，重点阐述AFLMBs中的锂形核及生长机理，以及亲锂改性对锂沉积行为的调控作用。最后，综述提出新型3D亲锂碳基载体材料在结构设计与实际应用之间的权衡关系、未来挑战与发展展望，为下一代AFLMBs的研发提供重要理论依据。该综述以“Advanced Design of Three-Dimensional Lithiophilic Carbon-Based Hosts for Anode-Free Lithium Metal Batteries”为题发表在国际知名学术期刊Nano-Micro Letters上，昆明理工大学冶金与能源工程学院为本文唯一通讯单位。

图1. 不同种类碳基载体及其亲锂改性策略

本文要点

要点一：锂形核及生长核心机制解析

1.系统阐述了围绕LMA的三大核心机制：锂成核热力学、锂离子输运动力学及锂失效机制。锂成核热力学是LMA稳定沉积的基础，其核心在于阐明锂成核过程中的自由能变化、临界晶核形成条件及热力学稳定性，低自由能势垒有助于实现均匀、致密的锂沉积，避免锂枝晶萌发，高势垒则易导致异相成核不均，为后续失效埋下隐患。锂离子输运动力学主要围绕桑德时间(Sand’ s time)展开，是研究锂离子界面传质、浓度极化与枝晶萌生时序的关键判据，高电流密度或低离子扩散系数条件下会诱发锂枝晶生长，可通过构建多维载体骨架、表面改性、稳定固体电解质界面(SEI)结构等策略有效延长桑德时间。AFLMBs的主要失效机制源于锂储量损耗，这是衡量其性能衰减的核心指标，即电化学循环过程中活性锂发生不可逆损耗，不再参与后续电化学反应，主要诱因包括SEI膜不稳定、锂枝晶生长及死锂生成，最终导致电池容量衰减、库伦效率降低及安全性问题。

图2.锂成核热力学及锂离子输运动力学

图3. 锂失效机制分析

2.碳基载体亲锂改性对锂沉积的影响：在锂沉积/剥离过程中，维持整个电极表面锂离子通量均匀分布至关重要。为此，对碳基底骨架表面进行亲锂改性，可从多尺度调控锂沉积行为，并影响锂沉积动力学、SEI稳定性及死锂衍生行为。众多研究得出一个结论：锂的初始成核与沉积通常表现出亲锂位点依赖性。

图4.亲锂改性对锂沉积行为的影响

要点二：碳基载体用于AFLMBs

本文系统概述了适用于AFLMBs的几类典型碳基材料：石墨烯、碳纳米管(CNTs)、多孔碳(PC)与碳纤维(CFs)。对比传统集流体表面锂沉积不均匀，易引发锂枝晶生长与死锂堆积，锂在高孔隙率、高导电性、大比表面积(SSA)的碳基载体表面沉积时，上述问题可得到有效缓解。碳基载体在一定程度上解决了传统铜箔集流体疏锂性、体积弹性差等缺陷。

图5.碳基载体用于AFLMBs

要点三：碳基载体亲锂改性策略

1.表面杂原子掺杂工程：提升碳基载体的表面亲锂性，能够有效降低锂沉积过程的初始成核势垒，也是强化锂与碳基载体相互作用的有效途径。在碳基载体表面掺杂具有锂相互作用轨道的电负性元素(如氮、磷、硼、氟、硫等)，可显著增强其亲锂特性。本文系统阐述了单原子、双原子及多原子掺杂的作用机制及其对锂沉积/剥离行为的影响。表面杂原子掺杂可针对性解决碳基载体亲锂性差、SEI不稳定、锂枝晶生长等长期难题。其核心机制在于：掺杂原子可与锂离子反应生成离子导电复合层(如 Li₃N、LiF、Li₂S)，在三维碳基底上构建高导电网络，协同提升导电性与亲锂性，实现均匀锂沉积。同时，这类物质可嵌入SEI层，增强其机械稳定性、补充无机组分，缓解因SEI反复破裂/重构导致的活性锂持续损耗。

图6.碳基载体表面杂原子掺杂工程

2.表面亲锂金属及金属氧化物修饰：金属锂实现稳定、可逆的沉积/剥离，对AFLMBs具有重要意义。基于此，本文进一步总结了碳基骨架的表面修饰策略。表面合金化作为一种高效的表面修饰手段，是提升碳基骨架亲锂性最常用的方法。相较于表面杂原子掺杂，表面合金化更有利于降低锂成核过电势，并使锂成核位点分布更为均匀。本文系统概述了亲锂金属及金属氧化物修饰碳基骨架在诱导锂均匀沉积、抑制体积形变方面的作用机理与研究进展。表面修饰策略可显著提升碳基载体的亲锂性、循环稳定性及倍率性能。

图7.表面亲锂金属修饰碳基载体

图8.金属氧化物修饰碳基载体

3.亲锂结构工程设计：以亲锂骨架材料作为稳定载体来容纳锂沉积，是解决锂无序体积膨胀难题的可行途径。在科研人员的努力下，3D碳基亲锂支架、球形/核壳亲锂结构、3D复合亲锂架构等多种结构设计的耦合，亲锂改性与界面调控已取得显著进展。与单一结构设计相比，多策略耦合能整合各方案优势，实现协同提升效果。在实验室条件下，这类设计在对称电池与全电池中均展现出优异的电化学性能，充分证明亲锂碳基载体在高比能AFLMBs领域具备巨大潜力。

铜基底的研究确立了亲锂位点与结构支撑协同设计的理念，不仅深化了对亲锂作用机制的认知，也为后续碳基骨架的亲锂结构设计提供了重要理论思路，为各类高性能碳基亲锂结构体系的开发提供了研究借鉴。

图9.铜基底亲锂改性设计

图10.碳基载体亲锂结构工程设计

4.亲锂梯度结构设计：通过精准调控三维骨架内部导电性、亲锂性、孔径分布的梯度变化，可实现锂自下而上的定向沉积。该策略不仅能有效抑制锂枝晶生长、减少死锂堆积，还能缓解长循环过程中的体积波动，提升AFLMBs性能。

导电梯度是在电极内部构筑由上至下导电性逐级递增的梯度结构，进而在三维骨架内部形成特定的电势梯度分布。在该电势梯度作用下，三维骨架底部比顶部更易富集电子，成为锂沉积与剥离的优先反应位点。因此，构筑导电梯度被公认为引导锂自下而上定向沉积的有效手段。

图11.碳基载体导电梯度设计

亲锂性梯度通过表面能态的梯度分布，为锂沉积构建自下而上的生长路径。其设计思路为：在骨架底部选用高亲锂性材料，这类材料具有低成核势垒与更负的锂结合能，可高效吸附锂离子，为锂在骨架底部优先沉积构筑直接反应通道;而在骨架顶部采用疏锂材料，凭借较高的成核势垒，抑制锂在表面聚集与沉积。该梯度设计不仅实现了锂自下而上的定向沉积，还可使锂离子沉积过程可控，有效抑制枝晶生长，并实现3D碳基载体内部空隙的高效利用。

图12.碳基载体亲锂梯度设计

孔径梯度需使骨架孔径沿深度方向由上至下逐级减小。具体而言，结构顶层孔隙率更高，越往底部孔径逐渐收缩、排布愈发致密。在该结构中，顶层大孔可优化电解液浸润性，弱化电解液内部锂离子浓度梯度，实现锂离子在整个骨架内的均匀分布。同时，孔径逐级减小会提升单位体积SSA，进而降低底部区域的电荷转移阻抗。这一特性有利于锂离子优先在底部沉积，随后自下而上逐步填充孔隙，最终实现自下而上的锂沉积过程。

图13.碳基载体孔径梯度设计

5.亲锂碳基载体协同设计：在各类亲锂梯度设计的基础上，将梯度设计与亲锂结构工程、骨架设计及表面修饰相结合，实现多途径耦合提升策略。这类改性策略分别从三维骨架构筑与界面化学修饰角度，为缓解体积效应、稳定SEI膜提供了有效思路。但在实际工况下，AFLMBs仍同时面临死锂堆积、成核不均、界面稳定性差等多重问题。单一改性策略已无法同时实现锂均匀沉积与长循环寿命的协同优化。通过多种亲锂设计优势互补，可构筑兼具亲锂化学引导、均匀电场分布、机械缓冲能力的多功能复合界面。该设计从界面协同角度，实现了对AFLMBs中锂沉/剥离积行为的多维度调控。

图14.多途径耦合亲锂碳基骨架协同设计

6.原位表征技术：时至今日，先进表征技术的重要性日益凸显。其中，原位表征对于实时监测碳基骨架型AFLMBs内部的锂沉积行为与形貌演变、锂枝晶生长、SEI膜形成演化以及结构变化具有关键作用。若要从根本上解决碳基骨架应用于AFLMBs所面临的诸多难题，运用原位表征技术追踪动态电化学过程尤为必要。整合各类先进表征手段，可为优化AFLMBs亲锂碳基载体设计提供一套完整的研究思路与技术路线。

图15.原位表征技术应用

要点四：AFLMBs实用化考量

1.规模化制备中的成本与工艺局限：高性能3D亲锂碳基骨架是AFLMBs商业化的关键，但目前其规模化制备仍受工艺与成本双重制约。化学气相沉积(CVD)、静电纺丝、模板法等主流工艺各有短板，或依赖高真空环境、或难以实现大面积均匀性、或脱模板繁琐，而卷对卷连续生产工艺成为破局关键。成本方面，实验室高纯材料与工业廉价原料价差显著，如何在保证亲锂性能的同时降本，缩小与商用锂电的差距，是当前核心难题。未来需优先选用商用碳布、生物质碳等低成本原料，优化一步掺杂、原位复合等改性工艺，并推进3D打印等可工业化技术，简化流程、提升一致性，助力AFLMBs实用化进程。

2.亲锂性衰减：长循环中SEI膜反复破损/重构会持续消耗、包覆亲锂位点，造成亲锂活性衰减，诱发锂沉积不均与枝晶再生。并且，死锂还会堵塞三维骨架孔隙，降低有效SSA，恶化体积效应与循环性能。通过开发自修复亲锂位点、界面改性调控SEI界面相容性、优化分级孔结构抑制死锂堆积，多手段协同可有效缓解亲锂性衰减，维持长循环稳定性。

3.界面相容性：亲锂碳基骨架与电解液界面相容性差，易生成不稳SEI膜，严苛工况下副反应加剧。部分副产物会阻碍离子传输、增大界面阻抗。无负极体系中存在锂沉积分布不均，且与碳基载体界面结合较弱，循环过程中的接触电阻持续增大。可通过精细设计亲锂微结构改善锂沉积均匀性，与高锂储量正极匹配调控正负极储锂与传质平衡，并开展碳基骨架与固态电解质的适配研究，以其高导电特性补偿固态电解质离子传导短板。

4.电解质适配性：电解质适配性是LMA发展的关键，可调控锂成核生长。液态电解液分为碳酸酯类与醚类，醚类更适配锂金属电池，局部高浓度等新型液态电解液可应对严苛工况，但存在易燃、成本高、环保性差等固有缺陷。固态电解质分晶态与玻璃态，硫化物离子电导率高但界面稳定性差，氧化物化学稳定性好却存在脆性大等问题。现有电解液设计侧重单一性能，缺乏与LMA的协同匹配，下一代AFLMBs电解液需遵循丰产、低成本、绿色环保原则，卤化物、反钙钛矿等新型固态电解液发展前景良好。

5.LMBs到AFLMBs的转变：LMBs受高成本与安全隐患制约，AFLMBs摒弃预置过量锂设计，解决初始锂源短缺问题，成为下一代电池主流方向。与传统体系相比，AFLMBs省去锂箔相关成本、简化回收与组装工艺，全生命周期经济性突出。其初始无活性锂，可大幅抑制锂枝晶与安全风险，同时减少冗余组分，实现更高能量密度，且能适配低成本集流体，降低制备门槛、适配工业化量产。

6.技术路线和商业前景：现有多种改性策略可提升AFLMBs循环稳定性，但行业缺乏统一测试与评价标准，难以横向对标铜箔基、碳基、复合基三大技术路线。商业化评估需兼顾循环寿命、成本、倍率与能量密度：复合体系循环性能突出但量产受限，铜箔改性成本低廉却倍率与循环性能不足，建立标准化评价体系尤为必要。

7.实用化定量分析：AFLMBs 实用化需协同优化高载量正极、低N/P比、贫电解液三大核心条件。提升正极面容量可显著提高能量密度，降低电解液用量也能进一步增密，但贫液工况会加速界面老化、缩短循环寿命。适度增加电解液虽小幅牺牲能量密度，却可有效提升循环稳定性。三者需在能量密度与循环寿命之间定量权衡，通过集流体改性、干法电极工艺、电解液配方优化实现性能协同，适配短周期高能量需求场景。未来依托AI电解液筛选、复合集流体设计等技术，可进一步优化参数耦合，推动AFLMBs向长寿命、大规模应用转型。

要点五：亲锂碳基载体用于AFLMBs未来展望

AFLMBs三维碳基亲锂集流体仍存在诸多瓶颈，研究正从现象定性描述向沉积行为定量调控转型。亟需厘清三大关键科学问题：建立亲锂位点密度与成核过电势的定量关联、阐明三维孔道锂离子输运对沉积均匀性的影响规律、明确碳化锂生成临界条件并建立安全工况窗口。

未来发展需锚定三大量化指标：库伦效率≥ 99.5%、1C循环寿命超500圈、能量密度突破 400 Wh kg⁻¹。技术层面将跳出单一改性思路，向自修复碳骨架、刺激响应型骨架、集流/储锂/热管理一体化多功能骨架三大方向演进，依托材料智能与多功能集成实现AFLMBs跨越式发展。

全文链接

Fan Yang, Xiaoping Yang*, Zhaoxia Xu, Maolin Zhang, Jiyue Hou, Shouyi Yuan, Yannan Zhang, Hao Wu*, Yiyong Zhang*, and Fang Cheng*. Advanced Design of Three-Dimensional Lithiophilic Carbon-Based Hosts for Anode-Free Lithium Metal Batteries, Nano-Micro Letters, 2026, 18: 377.

全文链接：

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02229-1.

研究背景

近年来，锂金属电池(LMBs)作为最具潜力的下一代高能量密度电池之一，受到广泛关注。然而，LMBs在充放电过程中出现的锂枝晶无序生长、体积过度膨胀等难题，严重阻碍了其实用化进程。相比于LMBs，无负极锂金属电池(AFLMBs)结构设计显著降低电池厚度和重量，从而有望实现更高的能量密度。此外，由于电池负极侧不使用高活性锂金属负极(LMA)，避免由此带来的安全隐患并大幅降低制造成本。尽管AFLMBs在能量密度、安全性和成本方面具备显著优势，但由于铜集流体的疏锂特性，会导致锂不均匀沉积。此外，平面铜箔无体积弹性，使得铜箔表面粗糙度增加导致电流密度分布不均，并在凸起处形成局部电流密度集中，显著加剧锂枝晶的生长。相比于金属基集流体，碳基材料的引入，更能弥补这些缺点，并且具有导电性好、泛用性广、成本低、热稳定性好和机械强度高等优点。因此，设计三维(3D)亲锂碳基载体替代传统金属集流体，成为构筑高性能AFLMBs的有效策略。

通讯作者介绍

成方，理学博士，特聘副教授，硕士生导师，入选云南省“兴滇英才支持计划”青年人才，昆明理工大学高层次引进人才。主要从事高性能电化学储能器件及其关键材料，功能电解质和聚合物固态电解质设计、制备及应用研究。主持及参与云南省重大科技专项计划项目、云南省基础研究计划项目、博士后科研创新项目等省部级项目多项，研究成果以第一作者或通讯作者在Nano Energy, Energy Storage Mater., Nano-Micro Lett., J. Mater. Chem. A等重要国际学术期刊发表SCI论文20余篇。受邀参编英文专著2部，受邀担任Advanced Energy Mater., Nano Energy, Nano Research等期刊审稿人，担任Energy Mater. 期刊青年编委，申请国家发明专利10余件(授权5件)，申请国际发明专利2件，牵头编制工信部行业标准1项(已发布实施)，参与编制国家“十四五”规划系列教材1部。

Email：chengfang@ynu.edu.cn; chengfang@kust.edu.cn.

第一作者介绍

杨帆，昆明理工大学冶金与能源工程学院2025级硕士研究生，研究方向为亲锂碳基载体设计、制备及其在AFLMBs中的应用。参与国家自然基金、云南省基础研究计划项目3项，以第一作者在Nano-Micro Letters期刊发表论文一篇，合作发表SCI论文2篇。

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