锂金属因其高理论比容量（3860 mAh g^-1）和最低的标准电极电位（-3.04 Vvs标准氢电极）成为了下一代高能量密度锂二次电池技术的理想负极选择。然而，锂金属负极的实用化面临巨大挑战，不均匀的电化学反应是其中主要原因之一。围绕着此问题，研究者们基于实验室级扣式或单层软包电池开展了大量研究工作，在均匀化锂金属负极电化学反应方面取得巨大进展。然而，这些电池的实验参数和工作环境与实际电池存在巨大差异，无法全面细致地为实际锂金属电池的研究和应用提供直接指导。事实上，实用化锂金属二次电池（以接近实际电池的安时级软包电池为例）往往比实验室扣式电池更容易发生电化学失效。因此亟需基于实际电池参数来研究锂金属负极上的电化学失效行为以及相关机制，并探索提高实际锂金属电池电化学性能的先进策略。

近日，孙永明教授课题组通过分析比较扣式电池和安时级叠片软包电池之间锂金属负极电化学锂沉积/溶解行为的差异，揭示了软包电池中电池结构引起电化学反应不均匀性的现象及原因，解释了叠片软包电池相对于扣式电池更快的电化学失效行为。此外，作者使用了电极结构内部锂离子传导性高的锂/锂锡合金（Li/Li-Sn）复合箔负极来替代纯锂箔负极（Pristine Li）制作叠片软包电池，结果表明：由于丰富的锂传导路径，Li/Li-Sn复合箔负极能够缓解安时级叠片软包电池区域间电流/电场差异导致的不均匀电化学反应及其带来的电化学性能方面的负面影响。使用纯Li箔电极（电极尺寸为8x11 cm）组装的安时级叠片软包电池在循环后负极上表现出具有松散结构的多孔、枝晶状锂沉积层，其中近极耳（RT）和中心区域（RC）由于靠近集流体所致的局部放大的电流密度，表现出比边缘区域（RE）更严重的腐蚀现象，表面结构开裂，裂纹扩散蔓延到整个区域。同等测试条件下，Li/Li-Sn复合箔电极在整个电极区域均表现出具有致密结构的均匀平整的锂沉积层。同时，电池产气行为也受到了极大抑制。以上结果展示出Li/Li-Sn复合箔电极在均匀化电化学反应和提升安时级叠片软包电池电化学性能方面的积极作用。

作为例证，匹配高载量硫化聚丙烯腈（SPAN）正极（3.4 mAhcm^-2）组装的1.2 AhSPAN||Li/Li-Sn软包电池在600 mA（0.5 C）大电流下表现出优异的循环稳定性，100圈循环后容量保持率为87%，远优于使用纯Li箔负极的对照组（40圈循环后几乎失去所有容量）。这项工作揭示了软包电池结构引起的电化学反应不均匀性，为理解由于局部电化学环境的差异而导致的实际锂金属软包电池中不均匀的电化学锂沉积/溶解行为和电化学性能恶化提供了基础知识和见解。

图1.（a）扣式电池结构示意图；（b）扣式电池中锂金属负极工作环境（毫安级总电流、兆帕级压力和覆盖整个负极区域的集流体）；（c）软包电池结构示意图；（d）软包电池中锂金属负极工作环境（安级总电流、较低的压力和部分覆盖负极区域的集流体）。

图2. SPAN||Li/Li-Sn和SPAN||Li在（a和b）扣式和（c和d）软包电池中电化学循环性能；SPAN||Li/Li-Sn和SPAN||Li在（e）扣式和（f）软包电池中不同循环下的容量保持率。

图3.（a）负极结构示意图；（b）循环后的Li/Li-Sn和纯Li箔负极的光学图像；（c-e）纯Li和（f-h）Li/Li-Sn复合箔负极在RT、RC和RE区域的表面SEM图像；（f）纯Li和Li/Li-Sn对称电池的Tafel曲线；（j）纯Li和Li/Li-Sn复合箔负极中Li+通过SEI层的表观活化能；（k）SPAN||Li和（l）SPAN||Li/Li-Snr软包电池在不同循环圈数后的阻抗。

图4. 循环后的（a-c）Li/Li-Sn复合和（d-f）纯Li箔负极在RT、RC和RE区域的截面SEM图像；（g）Li/Li-Sn复合和纯Li箔负极在RE区域上反应层厚度变化；（h）SPAN||Li和（i）SPAN||Li/Li-Sn软包电池循环40圈后的光学图像和相应的产气示意图。

图5.（a-c）SPAN||Li和（d-f）SPAN||Li/Li-Sn软包电池在循环过程中的超声成像图。

图6. 叠片软包电池循环过程中（a）纯Li和（b）Li/Li-Sn复合箔负极的电极结构演变示意图。

2022年11月27日，《Advanced FunctionalMaterials》线上刊发了相关研究成果Revealing the intrinsic uneven electrochemical reactions of Li metal anode in Ah-level laminated pouch cells（论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210669）。该研究工作第一完成单位为华中科技大学武汉光电国家研究中心，得到了国家自然科学基金（No. 52272207, 52072137）的资助。