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在这项研究中，作者先通过机械合金化途径制得预锂化金属铝负极，其与固体电解质Li6PS5Cl（LPSCl）具有优异的界面稳定性，在0.5 mAh cm-2下能够稳定循环超过1200小时。然后，作者提出界面双增强技术，解决了高镍正极LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2与LPSCl存在界面副反应及电解质高压耐受性差的问题。基于预锂化铝负极和高镍正极，得到了具有高能量密度和优异稳定性全固态锂电池（ASSLBs）。结果表明，ASSLBs在0.2C倍率下经过1000次循环后仍稳定，容量保持率高达82.2%。在N/P比为1.1的条件下，电池的比能量达到375 Wh/kg，经历100次充放电循环后容量保持率仍超过85.9%。这项研究为开发低成本、高稳定性的全固态电池提供了一种新的思路和解决方案。
该成果近日以“Developing High-energy, Stable All-solid-state Lithium Batteries Using Aluminum-based Anodes and High-nickel Cathodes”为题在线发表在国际知名期刊Nano-Micro Letters上（Nano-Micro Lett.(2025) 17: 239），南京大学为唯一通讯单位，南京大学现代工程与应用科学学院在读博士研究生伍鑫和王梅雨博士为论文共同第一作者，南京大学何平教授和唐少春教授为该论文的通讯作者。
背景介绍
硫化物基全固态锂电池因高能量密度和高安全性，有望满足长续航电动汽车和电动飞行器的应用需求。然而，传统锂（Li）金属阳极与硫化物电解质存在界面不兼容以及锂枝晶易穿透电解质导致短路等问题。作为地壳中含量最丰富的金属元素，铝不仅具有良好的导电性和具有竞争力的理论比容量（990 mAh g⁻¹），而且与硅阳极相比铝在脱嵌锂过程中的体积变化更小（96% vs. 320%），这有利于保持良好的阳极-电解质界面稳定性。此外，相较于锂金属负极来说，铝负极适中的工作电位（约0.3 V vs. Li/Li+）也有利于提高全固态电池的能量密度。
图1. 由预锂化铝负极和界面双增强NCM811正极组成的全固态电池结构示意图。
针对此，南京大学何平教授课题组与唐少春教授课题组合作，提出使用金属铝作为全固态锂电池的负极材料，并通过机械合金化对金属铝进行预锂化，从而解决了负极与Li6PS5Cl（LPSCl）固体电解质界面稳定性差的问题；同时，提出界面双增强技术，解决高镍正极与LPSCl的界面副反应以及电解质高压耐受性差的问题，从而实现具有优异循环稳定性和高能量密度的ASSLBs。设计的全固态电池结构示意图如图1所示。负极：对金属铝进行预锂化处理；正极：通过界面双增强技术（分别在NCM811和LPSCl表面构筑LiNbO3和LiDFOB保护层）提升高镍阴极活性物质与电解质的界面兼容性以及提升高电压下稳定性。
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图2. LPSCl电解质在实际工作条件下的电化学稳定窗口以及金属铝的锂化行为研究。
图2所示，CV和dQ/dV结果表明，LPSCl电解质在实际工作条件下的电化学还原极限为0.11V vs Li/Li+，氧化极限< 2.5 V vs Li/Li+。通过对金属铝的锂化行为进行研究，确定其脱嵌锂电位为0.33V vs Li/Li+。这一电位高于LPSCl电解质在实际工作条件下的电化学还原极限，从而确保了预锂化铝负极与LPSCl电解质具有良好界面兼容性。
图3. Li-Al/LPSCl/Li-Al和Li/LPSCl/Li对称电池测试。
图3a为Li-Al/LPSCl/Li-Al和Li/LPSCl/Li两种对称电池在0.2 mA cm-2条件下的恒流充放电曲线。可以看到，Li/LPSCl/Li经过140 h循环后电池发生了短路。相比之下，Li-Al/LPSCl/Li-Al电池能够稳定运行超过1200h，表明经过预锂化的Al负极与LPSCl具有良好的界面稳定性。结合EIS阻抗分析、XPS测试以及SEM微观结构观察分析，进一步证实了所提出的预锂化Al负极与硫化物电解质良好的界面兼容性，而传统Li负极则显示出与电解质严重的界面副反应。
图4. 评估经过界面双增强技术处理的复合正极的电化学性能。
为了避免高镍正极与硫化物电解质之间的界面副反应，并提升硫化物电解质在高电压条件下的稳定性，该研究提出了界面双增强技术，即分别对NCM811和LPSCl颗粒进行LiNbO3和LiDFOB表面包覆，得到LiNbO3@NCM811和LiDFOB@LPSCl材料。采用低温透射电镜对包覆产物进行了观察，如图4a-g所示，在LPSCl表面生成厚度为15-25nm的保护层。将LiNbO3@NCM811与LiDFOB@LPSCl按照质量比7:3充分混合得到复合正极材料（记作D-cathode）。作为比较，将LiNbO3@NCM811与未经改性的LPSCl按照相同比例均匀混合得到复合正极材料（记作M-cathode）。对上述两种正极进行电化学测试，结果表明经过界面双增强技术处理的复合正极具有更优异的循环稳定性。在0.5C电流条件下经过500次循环，D-cathode/LiIn的容量保持率高达94.5%，而M-cathode/LiIn在相同条件下的保持率仅为68.2%。与文献报道的同类正极材料相比，经过界面双增强技术处理的复合正极材料的性能具有显著的竞争力。
图5. 表征循环前后D-cathode和M-cathode复合正极的成分和结构变化。
采用Raman、XPS和ToF-SIMS等对循环前后D-cathode和M-cathode复合正极材料的组分和结构变化进行了分析。结果表明，在M-cathode中存在由于电解质氧化分解而产生的S物相，而在D-cathode中电解质的结构保持完整，进一步证明了界面双增强技术处理后复合正极的稳定性更加优异。此外，经过LiDFOB包覆的LPSCl具有更低的杨氏模量，在充放电过程中对NCM811颗粒展现出缓冲作用，从而使NCM811在循环前后能够保持良好的结构完整性。
图6.Li-Al/D-cathode全固态电池的电化学性能。
使用预锂化Al负极和经过界面双增强技术处理的复合正极组装了全固态电池。获得的全固态电池在0.2C电流密度条件下经过1000次循环后，容量保持率高达82.2%。在N/P比为1.1的条件下，电池的能量密度可以达到375 Wh/kg（基于正负极质量计算）；经过100次循环后，容量保持率仍然可以达到85.9%。特别是，该电池在-20℃-50℃宽温域范围内同样具有良好的可逆性和容量保持率。
总结展望
综上，通过在负极和正极分别采取预锂化以及界面双增强技术，实现了正负极与硫化物电解质优异的界面稳定性，从而获得了具有优异循环稳定性和倍率性能的全固态电池。组装的全固态电池在0.2C倍率下循环1000次后容量保持率高达82.2%；在N/P = 1.1的条件下，电池能量密度达到375Wh/kg；经过100次循环后容量保持率仍然达到85.9%。这项工作为开发具有高能量密度和长循环寿命的全固态锂电池提供了一种有前景的负极选择。考虑到铝具有适中的电位、丰富的储量以及易加工性，预锂化铝负极结合高镍正极，在实现高安全性和低成本全固态锂电池方面拥有巨大潜力，为全固态锂电池的商业化开辟新的途径。
固体微结构物理国家重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室为该项工作的顺利开展提供了重要支持。该项工作得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目，江苏省重点研发计划项目，江苏省碳峰碳中和科技创新专项基金项目资助。
论文信息
Xin Wu, Meiyu Wang, Hui Pan, Xinyi Sun, Shaochun Tang*, Haoshen Zhou, and Ping He*. Developing High-energy, Stable All-solid-state Lithium Batteries Using Aluminum-based Anodes and High-nickel Cathodes, Nano-Micro Lett. (2025) 17: 239
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01751-y