鋰金屬負(fù)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(yīng)用。傳統(tǒng)的阻燃劑共混策略因阻燃劑與鋰金屬之間會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞性功能腐蝕反應(yīng)，同樣無法應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

2026年3月26日，山東大學(xué)Yaoyao Liu、劉宏、陳皓在國際知名期刊Nature Communications發(fā)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(fù)極結(jié)構(gòu)，用以消除鋰金屬與阻燃劑之間的腐蝕，同時(shí)在熱觸發(fā)下智能釋放阻燃?xì)怏w，覆蓋并結(jié)合鋰金屬以阻止燃燒。這種智能阻燃層狀鋰負(fù)極在600℃點(diǎn)火后，電池循環(huán)壽命較純鋰負(fù)極延長2677.78%，在常規(guī)電極工作過程中副反應(yīng)較傳統(tǒng)阻燃劑-鋰混合物抑制94.68%。該針對鋰金屬負(fù)極易燃性難題的解決方案，為構(gòu)建安全鋰金屬電池提供了具有重要意義的進(jìn)展。

隨著電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備和清潔能源消費(fèi)市場的快速發(fā)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(shù)。在高能量密度鋰電池技術(shù)的負(fù)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(xué)電位（-3.04V，相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）脫穎而出，成為構(gòu)建高能量密度鋰電池的終極負(fù)極選擇。然而，鋰金屬負(fù)極本征的高易燃性使鋰金屬電池面臨嚴(yán)重的安全隱患。作為還原性最強(qiáng)的金屬之一，金屬鋰在接觸熱量、濕氣或空氣時(shí)極易被點(diǎn)燃，產(chǎn)生約1200℃的劇烈燃燒，常規(guī)手段無法撲滅。這將引發(fā)嚴(yán)重的熱失控和災(zāi)難性事故，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰離子電池，對鋰金屬電池的安全應(yīng)用構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。

盡管鋰金屬負(fù)極的嚴(yán)重燃燒問題已廣為人知，但目前關(guān)于安全鋰電池構(gòu)建的研究主要集中于開發(fā)不易燃的液體或固體電解質(zhì)、高熱穩(wěn)定性隔膜、智能響應(yīng)隔膜以及電池管理系統(tǒng)。其他策略如人工保護(hù)層也在一定程度上被用于提升鋰金屬的空氣穩(wěn)定性。然而，由于鋰金屬的高易燃性與強(qiáng)還原性，且無法在鋰金屬內(nèi)部實(shí)現(xiàn)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(fù)極的起火。這一安全問題自鋰電池發(fā)明以來一直是最關(guān)鍵的未解決挑戰(zhàn)之一，數(shù)十年來阻礙著鋰金屬電池的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

為解決鋰金屬負(fù)極的高易燃性難題，必要的方案是將阻燃材料引入負(fù)極中。然而，這種傳統(tǒng)共混策略因高還原性鋰金屬與阻燃材料之間會(huì)發(fā)生嚴(yán)重副反應(yīng)而失效。在鋰負(fù)極制備過程中，如熔融鋰灌注或機(jī)械共混時(shí)，這些磷基或鹵素基阻燃劑會(huì)與鋰金屬劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致阻燃劑的滅火效果與鋰金屬負(fù)極的功能同時(shí)喪失。此外，若將含阻燃劑的鋰金屬負(fù)極作為負(fù)極組裝進(jìn)電池，阻燃劑會(huì)溶解到電解液中，腐蝕鋰金屬活性材料并生成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)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(shí)現(xiàn)鋰金屬負(fù)極的有效阻燃改性帶來了重大技術(shù)瓶頸。因此，迄今為止尚未有策略被提出以解決鋰金屬負(fù)極的高易燃性問題，使其成為數(shù)十年來阻礙鋰金屬電池技術(shù)應(yīng)用的公認(rèn)難題。

在此，作者開發(fā)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(yīng)對鋰金屬負(fù)極的易燃性難題。作者發(fā)現(xiàn)這種智能阻燃能力應(yīng)歸因于三大關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)理念：（1）三維氣凝膠結(jié)構(gòu)的高隔熱/散熱性能；（2）ZnO夾層在電極制備與電池運(yùn)行過程中有效阻隔鋰與阻燃劑之間的副反應(yīng)；（3）點(diǎn)火條件下，復(fù)合負(fù)極內(nèi)部熱觸發(fā)智能原位釋放阻燃?xì)怏w，稀釋空氣并與鋰結(jié)合實(shí)現(xiàn)自阻燃。憑借這些優(yōu)勢，作者的智能阻燃層狀復(fù)合鋰負(fù)極即使在明火中浸泡10秒，仍能將鋰金屬的自熄滅時(shí)間從979.27s g -1 降至0s g -1 ；即使鋰負(fù)極預(yù)先在明火中浸泡，仍能實(shí)現(xiàn)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(huán)后）。使用智能阻燃層狀復(fù)合鋰負(fù)極制備的軟包電池，在鋰負(fù)極直接點(diǎn)火的條件下仍保持穩(wěn)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(shí)，阻燃劑密封的層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)消除了常規(guī)電極運(yùn)行過程中鋰金屬與阻燃劑之間的嚴(yán)重副反應(yīng)，循環(huán)壽命較傳統(tǒng)阻燃劑-鋰混合物延長301.61%。這種智能阻燃層狀復(fù)合主體設(shè)計(jì)，為解決鋰金屬負(fù)極長期存在的高易燃性難題、實(shí)現(xiàn)安全耐用的鋰金屬電池應(yīng)用提供了思路。

圖1：展示鋰金屬負(fù)極面臨的安全問題與智能阻燃層狀復(fù)合鋰負(fù)極設(shè)計(jì)思路。a）鋰金屬負(fù)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(fù)合鋰負(fù)極制備中鋰與阻燃劑的不相容副反應(yīng)；d ） 電池運(yùn)行中鋰與阻燃劑的副反應(yīng)；e ） 層狀主體設(shè)計(jì)成功引入阻燃劑；f ） ZnO中間層密封阻燃劑，實(shí)現(xiàn)電池中阻燃劑與鋰的兼容性；g ） 層狀復(fù)合鋰負(fù)極在點(diǎn)火條件下智能釋放阻燃劑的過程。

本研究開發(fā)出具有智能阻燃功能的層狀復(fù)合鋰負(fù)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(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，徹底解決鋰金屬與阻燃劑直接接觸引發(fā)的腐蝕、副反應(yīng)難題。受熱時(shí)，該負(fù)極可智能釋放阻燃?xì)怏w隔絕氧氣，并通過PO?自由基捕捉活性鋰原子中斷燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)自熄時(shí)間降至0s g -1 ，明火灼燒后仍保留85.81%容量，軟包電池在點(diǎn)火狀態(tài)下可穩(wěn)定供電、無燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，ZnO層有效阻隔阻燃劑溶出，電池循環(huán)壽命較混合體系提升301.61%，匹配NCM811正極循環(huán)250次容量保持率達(dá)93.72%。

該成果首創(chuàng)層狀封裝式阻燃策略，突破傳統(tǒng)阻燃劑與鋰負(fù)極不相容的技術(shù)瓶頸，從機(jī)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(shè)計(jì)提供全新范式。

該復(fù)合負(fù)極制備工藝兼容roll-to-roll與原子層沉積，易于規(guī)模化生產(chǎn)，可直接應(yīng)用于高比能鋰金屬電池、動(dòng)力電池與大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，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(yīng)阻燃思路可拓展至鈉、鉀等活潑金屬負(fù)極，推動(dòng)高安全、高能量密度堿金屬電池體系實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)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.

（來源：網(wǎng)絡(luò)版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）