为进一步提升锂二次电池的能量密度，目前正在研发可替代现有石墨负极的大容量合金系负极。其中，金属箔状态下的铝仅凭一种材料，同时兼具活性材料与集流体两种功能。若能活用这一性质，就不再需要传统电极中又重又贵的铜箔集流体、用于粘结粉末的粘结剂以及辅助导电的导电助剂。此外，浆料涂布、干燥等耗能巨大的制造工艺也可省去，有望极大程度压缩成本，并减少碳足迹。
图1 传统石墨负极与铝箔负极的对比。与传统型石墨负极（左）不同，铝箔负极（右）完全无需任何材料涂布，仅凭“单层箔”即可充当电极。（供图：东北大学）
然而，这种电极的实用化存在一个课题：要高效、反复地完成充电时嵌入的锂在放电时重新被放出这一“脱嵌”反应较为困难。使用纯铝时，锂脱出过程中电极会在早期多孔化并发生结构坍塌，同时新暴露的活性表面会引发副反应，钝化持续加深，导致循环寿命显著缩短。另一方面，为防止电极多孔化而添加硅等元素的传统做法虽使寿命有所改善，却又导致大量锂被封存在电极深处而失活，电池实际可用容量大幅下降，由此陷入深刻的两难境地。
日本东北大学金属材料研究所的中田优树助教、李弘毅助教、市坪哲教授以及株式会社UACJ组成的研究团队，为打破这种“寿命与容量难以兼顾的困局”，采用了独创的冶金学合金设计方法。
硅类与锂亲和性高的元素，在充放电过程中会与锂结合并凝聚到同一处，导致合金作用难以持久。为此，研究团队大胆着眼于与锂亲和性较低的锰，制备了将锰均匀固溶于铝中的固溶体。
这些均匀分散的锰，在充电时会对锂的迁移起到局部“刹车”的作用。研究团队由此查明，充电过程中电极内部反应组织微细化，并自发形成由晶界构成的网络结构，作为锂的迁移通道。
这一网络结构使电极内部的原子能够顺畅迁移。于是，纯铝电极中常见的早期多孔化得到大幅抑制，电极在维持致密结构的同时，锂也能从深处顺畅脱出，实现了理想的脱锂现象。最终，电极既实现了长寿命，又把内部锂残留降至最低，成功保持了较高的可用容量。
此次研究成果将有力推动既不使用铜集流体和粘结剂、也无需繁琐浆料涂布工序、仅凭“单层箔”的新一代电极的实用化进程。电极材料与制造工艺的根本性简化，有望为未来蓄电池生产中的成本削减和碳足迹的大幅降低作出贡献。
此外，该研究还为蓄电池电极材料的研发提供了一条重要思路。以往开发高容量负极，往往依赖预先人工构建复杂纳米结构的方法。本研究则证实，仅凭借“让与锂亲和性低的元素微量固溶”这一简单的冶金学手段，就能让金属组织在电池运行过程中自发完成优化（自组织）。这种不依赖过度预加工、转而激发材料自身特性的思路，将成为实用、低成本新一代电极设计的开创性范例。
相关论文已发表于期刊《Communications Materials》的网络版上。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Materials
论文：Breaking the delithiation bottleneck in aluminum-foil anodes for rechargeable lithium batteries by Mn alloying
DOI：10.1038/s43246-026-01377-6
