中科院深圳先进研究院王军、陈明、吴唯等：丝网印刷锂阵列+强化界面，超薄负极打通高能量密度液/固态电池实现路径

Screen-Printed Li Arrays with Reinforced Interphase as Ultrathin Anodes for High-Energy-Density Liquid and Solid-State Batteries

Wenting Liu†, Zhenyao Wei†, De Ning†, Zhenhuan Lu*, Fengping Zhang, Xuhao Wang, Binzhe Zhao, Guohua Zhong, Jie Zhang, Yan Shao, Ming Chen*, Man Wang, Jun Wang*, Chunlei Yang, Wei Wu*

Nano-Micro Letters (2027)19: 37

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02342-1

本文亮点

1. 绕开润湿难题，实现超薄可控制备：提出掩模图案化丝网印刷策略，以离散锂阵列替代连续锂箔，从原理上规避熔融锂在铜表面润湿性差的固有瓶颈，成功制备等效厚度10–28 μm的超薄锂负极，工艺可规模化、厚度与面容量精准可调。

2. 原位界面强化，抑制活性锂消耗：通过Mg(TFSI)₂与熔融锂的原位反应，生成均匀分布的无机纳米颗粒与锂镁合金相，既作为亲锂位点诱导均匀沉积、降低成核势垒，又构筑高模量富无机SEI膜，协同抑制枝晶生长与电解液副反应。

3. 液固双系适配，能量密度创新高：该负极同时兼容液态与固态电池体系，搭配高载量正极可实现最高504 Wh kg⁻¹的质量能量密度与1071 Wh L⁻¹的体积能量密度，稳定循环超过260次，综合性能处于先进水平。

研究背景

锂金属电池凭借锂金属极高的理论比容量(3860 mAh g⁻¹)与最低的电化学电位，是下一代高能量密度储能体系的核心方案，在航空航天、电动汽车、便携电子等领域具备广阔应用前景。但传统厚锂箔(≥50 μm)存在过量惰性锂质量占比高、循环中枝晶生长剧烈、体积膨胀显著等问题，严重制约了电池能量密度与循环寿命的提升。

超薄锂箔(≤20 μm)能够大幅削减无效锂用量、显著提升电池能量密度，是解锁锂金属电池全部潜力的关键。然而其规模化制备长期面临瓶颈：电化学沉积法厚度精准但产率低、耗材多；物理气相沉积法均匀性好但设备成本高昂、难以放大；辊压法工艺成熟但难以制备20 μm以下无裂纹、无缺陷的箔材。

在众多制备路线中，熔融锂涂布兼具规模化、成本优势与厚度可调性，是最具产业化潜力的方案。但熔融锂自身表面张力极高，叠加铜基底的固有疏锂性，导致锂在铜表面接触角大、铺展不均匀，即使高温下也难以满足超薄涂布的要求，这成为熔融法制备超薄锂负极的核心障碍。

与此同时，循环过程中锂金属与电解液的持续副反应、SEI膜反复破裂修复导致的活性锂不可逆消耗，是超薄锂负极的另一大挑战。尤其在超薄锂体系中，有限的锂储量对活性锂流失极为敏感，少量损耗就会引发容量快速衰减。如何同时攻克制备工艺难与循环稳定性差两大核心难题，是锂金属电池走向实用化的关键。

内容简介

针对超薄锂金属负极制备与循环的双重瓶颈，中国科学院深圳先进技术研究院吴唯/陈明团队、南方科技大学王军团队、桂林理工大学陆振欢团队等联合提出“结构设计+界面调控”的双调制策略。团队跳出“追求连续均匀涂布”的传统思路，创新采用掩模辅助丝网印刷工艺，将熔融锂通过图案化掩模刮涂成离散的锂微盘阵列，从原理上绕开了熔融锂在铜表面润湿性差的固有难题，成功制备等效厚度10–28 μm的超薄锂阵列负极，且制备面积可放大。在此基础上，研究引入双三氟甲磺酰亚胺镁(Mg(TFSI)₂)与熔融锂发生原位反应，在锂基体中生成均匀分布的LiF、Li₃N、Li₂S等无机纳米颗粒以及Li₃Mg合金相。这些物相既作为亲锂位点降低成核势垒，诱导均匀致密的锂沉积、抑制枝晶生长；又原位构筑高模量、高离子电导率的富无机SEI膜，大幅抑制电解液分解与活性锂的不可逆消耗。得益于结构与化学的协同效应，Li@Mg(TFSI)₂阵列负极在液态与固态电池体系中均表现出优异性能：搭配高载量正极实现最高504 Wh kg⁻¹的质量能量密度与1071 Wh L⁻¹的体积能量密度，稳定循环超260次。该工作同时解决了超薄锂负极的制造工艺难题与循环稳定性问题，为高能量密度锂金属电池的产业化提供了新的路径选择。

图文导读

I 润湿性困境：熔融锂涂布的固有瓶颈

熔融锂涂布是最具规模化潜力的超薄锂制备路线，但熔融锂自身高表面张力，叠加铜基底的疏锂特性，导致锂在铜表面接触角大、铺展困难。原位测试证实，在190–240℃范围内，熔融锂在铜表面的接触角始终大于90°，即使升温至300℃也难以达到涂布所需的润湿性要求，这成为熔融法制备超薄锂负极的核心障碍。

图1. 熔融锂在铜基底上的润湿性示意与接触角分析。

II 化整为零：掩模印刷构筑超薄锂阵列

团队提出“化整为零”的设计思路，不再追求连续完整的锂膜，而是通过带周期性圆形开孔的不锈钢掩模，将熔融锂刮涂成离散的锂微盘阵列。通过调控锂盘厚度(h)与表面占比(r)，可精准控制负极的等效面容量与等效厚度，成功制备出10 μm、20 μm、28 μm三种等效厚度的超薄锂阵列。

这种离散阵列结构不仅绕开了润湿性难题，还自带显著的力学优势：循环中锂的体积膨胀可通过阵列间隙缓冲，应力均匀分散在各个微盘上，显著抑制裂纹扩展与机械失效，从结构层面提升了负极的循环稳定性。剥离与弯折测试也证实，锂微盘与铜基底结合牢固，力学性能优异。

图2. 掩模辅助丝网印刷构筑超薄锂阵列的工艺示意图与结构表征。

III 界面强化：原位纳米复合调控沉积行为

为进一步提升循环稳定性，团队在熔融锂中引入Mg(TFSI)₂，通过原位反应生成LiF、Li₃N、Li₂S等无机纳米颗粒以及Li₃Mg合金相，均匀分布在锂基体与表面。

DFT理论计算表明，这些无机相与合金相的锂吸附能远低于纯锂与铜，具备更强的亲锂性，能够显著降低锂成核势垒，诱导均匀致密的锂沉积，避免枝晶生长。同时，原位生成的富无机SEI膜模量高、离子导电性好，能够有效抑制电解液分解与活性锂的不可逆消耗。

图3. Mg(TFSI)₂诱导原位反应生成多组分纳米复合物及其XPS组分分析。

IV 机理验证：均匀沉积与应力-离子流仿真

COMSOL模拟与有限元分析进一步验证：改性后的锂阵列界面离子流分布更均匀，边缘极化效应显著减弱；循环过程中应力集中大幅缓解，微裂纹扩展被有效抑制，从离子传输与力学稳定性两方面共同保障了负极的长循环性能。SEM表征也显示，改性后的负极表面沉积形貌平整致密，无明显枝晶与松散结构。

图4. 不同电化学状态下锂沉积形貌对比及离子流分布与应力仿真。

V 液态全电池：高能量密度与稳定循环

基于该超薄阵列负极，团队组装了液态全电池进行全面的性能验证。搭配高载量LFP、NCM811、Ni92等正极，在低N/P比条件下仍能稳定循环。其中搭配高电压高载量Ni92正极时，实现最高504 Wh kg⁻¹的质量能量密度与1071 Wh L⁻¹的体积能量密度，性能优于已报道的多数超薄锂负极体系。

图5. Li@Mg(TFSI)₂阵列负极液态锂金属电池的电化学性能与能量密度。

VI 固态延伸：稳定界面实现固态适配

阵列结构与原位聚合凝胶电解质适配性优异，阵列间隙可缓冲体积膨胀、稳定电极-电解质界面，实现了稳定的循环性能与高库仑效率，验证了该负极在固态体系中的通用性，为高能量密度固态电池的发展提供了可行方案。

图6. Li@Mg(TFSI)₂阵列负极固态锂金属电池的结构设计与电化学性能。

VII 总结

本工作提出了一种“丝网印刷阵列结构+熔盐原位界面强化”的双调制策略，一举突破了超薄锂金属负极的制备工艺瓶颈与循环稳定性两大核心难题。

在制备层面，掩模辅助的离散阵列设计绕开了熔融锂-铜润湿性差的固有问题，工艺简单、可规模化放大，厚度与面容量精准可调，为超薄锂负极的规模化制造提供了可行的全新方案。

在性能层面，原位生成的无机复合相协同优化锂沉积行为与界面稳定性，结合阵列结构的力学缓冲优势，实现了液态与固态双体系下的高能量密度与长循环寿命。

该研究为高能量密度锂金属电池的实用化推进提供了全新的技术思路，也为其他金属负极的结构设计与界面调控提供了有益的借鉴。

作者简介

王军

本文通讯作者

南方科技大学研究员

▍主要研究领域

高能量密度与高安全锂电池以及其他新型电池

▍主要研究成果

南方科技大学创新创业学院研究员，博士生导师。已在Nat. Rev. Chem.、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem.等国际一流期刊发表学术论文200余篇，被引次数9500余次，H指数超过50；申请PCT专利3项以及中国专利50余项。

▍Email：wangj9@sustech.edu.cn