Nature子刊：智能阻燃復合鋰負極用于安全金屬鋰電池！

鋰金屬負極的高易燃性問題一直阻礙著高能量密度鋰金屬電池的安全應用。傳統的阻燃劑共混策略因阻燃劑與鋰金屬之間會發生嚴重的破壞性功能腐蝕反應，同樣無法應對這一挑戰。

2026年3月26日，山東大學Yaoyao Liu、劉宏、陳皓在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Smart-flame-retarding layered composite Li negative electrode for safe Li metal battery》的研究論文，Haoying Qi為論文第一作者，Yaoyao Liu、劉宏、陳皓為論文共同通訊作者。

在本工作中，作者提出一種層狀氧化石墨烯/阻燃劑/親鋰氧化鋅層/鋰金屬負極結構，用以消除鋰金屬與阻燃劑之間的腐蝕，同時在熱觸發下智能釋放阻燃氣體，覆蓋并結合鋰金屬以阻止燃燒。這種智能阻燃層狀鋰負極在600℃點火后，電池循環壽命較純鋰負極延長2677.78%，在常規電極工作過程中副反應較傳統阻燃劑-鋰混合物抑制94.68%。該針對鋰金屬負極易燃性難題的解決方案，為構建安全鋰金屬電池提供了具有重要意義的進展。

隨著電動汽車、便攜式電子設備和清潔能源消費市場的快速發展，科研人員迫切追求兼具高能量密度與高安全性的新型電池技術。在高能量密度鋰電池技術的負極候選材料中，鋰金屬因具有最高的理論比容量（3860mAh g -1 ）和最低的電化學電位（-3.04V，相對于標準氫電極）脫穎而出，成為構建高能量密度鋰電池的終極負極選擇。然而，鋰金屬負極本征的高易燃性使鋰金屬電池面臨嚴重的安全隱患。作為還原性最強的金屬之一，金屬鋰在接觸熱量、濕氣或空氣時極易被點燃，產生約1200℃的劇烈燃燒，常規手段無法撲滅。這將引發嚴重的熱失控和災難性事故，遠超傳統鋰離子電池，對鋰金屬電池的安全應用構成重大挑戰。

盡管鋰金屬負極的嚴重燃燒問題已廣為人知，但目前關于安全鋰電池構建的研究主要集中于開發不易燃的液體或固體電解質、高熱穩定性隔膜、智能響應隔膜以及電池管理系統。其他策略如人工保護層也在一定程度上被用于提升鋰金屬的空氣穩定性。然而，由于鋰金屬的高易燃性與強還原性，且無法在鋰金屬內部實現滅火功能，上述所有策略均無法提供足夠的阻燃效果以撲滅鋰金屬負極的起火。這一安全問題自鋰電池發明以來一直是最關鍵的未解決挑戰之一，數十年來阻礙著鋰金屬電池的大規模實際應用。

為解決鋰金屬負極的高易燃性難題，必要的方案是將阻燃材料引入負極中。然而，這種傳統共混策略因高還原性鋰金屬與阻燃材料之間會發生嚴重副反應而失效。在鋰負極制備過程中，如熔融鋰灌注或機械共混時，這些磷基或鹵素基阻燃劑會與鋰金屬劇烈反應，導致阻燃劑的滅火效果與鋰金屬負極的功能同時喪失。此外，若將含阻燃劑的鋰金屬負極作為負極組裝進電池，阻燃劑會溶解到電解液中，腐蝕鋰金屬活性材料并生成不穩定的固體電解質界面（SEI），極大劣化電池性能。鋰金屬與阻燃劑之間的這種不相容性，為實現鋰金屬負極的有效阻燃改性帶來了重大技術瓶頸。因此，迄今為止尚未有策略被提出以解決鋰金屬負極的高易燃性問題，使其成為數十年來阻礙鋰金屬電池技術應用的公認難題。

在此，作者開發了一種層狀主體策略，將鋰金屬、親鋰氧化鋅（ZnO）層與阻燃劑逐層組裝到三維氧化石墨烯泡沫上，成功消除鋰金屬與阻燃劑之間的不相容性，并賦予智能阻燃功能以應對鋰金屬負極的易燃性難題。作者發現這種智能阻燃能力應歸因于三大關鍵材料設計理念：（1）三維氣凝膠結構的高隔熱/散熱性能；（2）ZnO夾層在電極制備與電池運行過程中有效阻隔鋰與阻燃劑之間的副反應；（3）點火條件下，復合負極內部熱觸發智能原位釋放阻燃氣體，稀釋空氣并與鋰結合實現自阻燃。憑借這些優勢，作者的智能阻燃層狀復合鋰負極即使在明火中浸泡10秒，仍能將鋰金屬的自熄滅時間從979.27s g -1 降至0s g -1 ；即使鋰負極預先在明火中浸泡，仍能實現85.81%的電極容量保持率與93.57%的全電池容量保持率（250次循環后）。使用智能阻燃層狀復合鋰負極制備的軟包電池，在鋰負極直接點火的條件下仍保持穩定的功率輸出，證明成功解決了鋰金屬電池的安全隱患。同時，阻燃劑密封的層狀結構設計消除了常規電極運行過程中鋰金屬與阻燃劑之間的嚴重副反應，循環壽命較傳統阻燃劑-鋰混合物延長301.61%。這種智能阻燃層狀復合主體設計，為解決鋰金屬負極長期存在的高易燃性難題、實現安全耐用的鋰金屬電池應用提供了思路。

圖1：展示鋰金屬負極面臨的安全問題與智能阻燃層狀復合鋰負極設計思路。a）鋰金屬負極高易燃性問題；b ） 將阻燃劑引入鋰金屬提升安全性的思路；c ） 復合鋰負極制備中鋰與阻燃劑的不相容副反應；d ） 電池運行中鋰與阻燃劑的副反應；e ） 層狀主體設計成功引入阻燃劑；f ） ZnO中間層密封阻燃劑，實現電池中阻燃劑與鋰的兼容性；g ） 層狀復合鋰負極在點火條件下智能釋放阻燃劑的過程。

本研究開發出具有智能阻燃功能的層狀復合鋰負極（Li/ZnO/TPP/GO），通過三維多孔氧化石墨烯骨架、原子層沉積ZnO隔離層與磷酸三苯酯阻燃劑的結構化設計，徹底解決鋰金屬與阻燃劑直接接觸引發的腐蝕、副反應難題。受熱時，該負極可智能釋放阻燃氣體隔絕氧氣，并通過PO?自由基捕捉活性鋰原子中斷燃燒鏈式反應，實現自熄時間降至0s g -1 ，明火灼燒后仍保留85.81%容量，軟包電池在點火狀態下可穩定供電、無燃燒爆炸風險。同時，ZnO層有效阻隔阻燃劑溶出，電池循環壽命較混合體系提升301.61%，匹配NCM811正極循環250次容量保持率達93.72%。

該成果首創層狀封裝式阻燃策略，突破傳統阻燃劑與鋰負極不相容的技術瓶頸，從機理上解決鋰金屬電池易燃失控的核心安全隱患，為高能量密度鋰金屬電池的安全設計提供全新范式。

該復合負極制備工藝兼容roll-to-roll與原子層沉積，易于規模化生產，可直接應用于高比能鋰金屬電池、動力電池與大規模儲能系統，顯著提升極端條件下電池安全性與可靠性。該層狀隔離與智能響應阻燃思路可拓展至鈉、鉀等活潑金屬負極，推動高安全、高能量密度堿金屬電池體系實用化與產業化。

Smart-flame-retarding layered composite Li negative electrode for safe Li metal battery . Nat. Commun., (2026).https://doi.org/10.1038/s41467-026-71069-9.

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