為進一步提升鋰二次電池的能量密度，目前正在研發可替代現有石墨負極的大容量合金系負極。其中，金屬箔狀態下的鋁僅憑一種材料，同時兼具活性材料與集流體兩種功能。若能活用這一性質，就不再需要傳統電極中又重又貴的銅箔集流體、用於黏結粉末的黏結劑以及輔助導電的導電助劑。此外，漿料塗布、乾燥等耗能巨大的製造工藝也可省去，有望極大程度壓縮成本，並減少碳足跡。
圖1 傳統石墨負極與鋁箔負極的對比。與傳統型石墨負極（左）不同，鋁箔負極（右）完全無需任何材料塗布，僅憑「單層箔」即可充當電極。（圖片提供：東北大學）
然而，這種電極的實用化存在一個課題：要高效、反覆地完成充電時嵌入的鋰在放電時重新被放出這一「脫嵌」反應較為困難。使用純鋁時，鋰脫出過程中電極會在早期多孔化並發生結構坍塌，同時新暴露的活性表面會引發副反應，鈍化持續加深，導致循環壽命顯著縮短。另一方面，為防止電極多孔化而添加矽等元素的傳統做法雖使壽命有所改善，卻又導致大量鋰被封存在電極深處而失活，電池實際可用容量大幅下降，由此陷入深刻的兩難境地。
日本東北大學金屬材料研究所的中田優樹助教、李弘毅助教、市坪哲教授以及株式會社UACJ組成的研究團隊，為打破這種「壽命與容量難以兼顧的困局」，採用了獨創的冶金學合金設計方法。
矽類與鋰親和性高的元素，在充放電過程中會與鋰結合併凝聚到同一處，導致合金作用難以持久。為此，研究團隊大膽著眼於與鋰親和性較低的錳，製備了將錳均勻固溶於鋁中的固溶體。
這些均勻分散的錳，在充電時會對鋰的遷移起到局部「剎車」的作用。研究團隊由此查明，充電過程中電極內部反應組織微細化，並自發形成由晶界構成的網路結構，作為鋰的遷移通道。
這一網路結構使電極內部的原子能夠順暢遷移。於是，純鋁電極中常見的早期多孔化得到大幅抑制，電極在維持緻密結構的同時，鋰也能從深處順暢脫出，實現了理想的脫鋰現象。最終，電極既實現了長壽命，又把內部鋰殘留降至最低，成功保持了較高的可用容量。
此次研究成果將有力推動既不使用銅集流體和黏結劑、也無需繁瑣漿料塗布工序、僅憑「單層箔」的新一代電極的實用化進程。電極材料與製造工藝的根本性簡化，有望為未來蓄電池生產中的成本削減和碳足跡的大幅降低作出貢獻。
此外，該研究還為蓄電池電極材料的研發提供了一條重要思路。以往開發高容量負極，往往依賴預先人工建構複雜奈米結構的方法。本研究則證實，僅憑藉「讓與鋰親和性低的元素微量固溶」這一簡單的冶金學手段，就能讓金屬組織在電池運行過程中自發完成優化（自組織）。這種不依賴過度預加工、轉而激發材料自身特性的思路，將成為實用、低成本新一代電極設計的開創性案例。
相關論文已發表於期刊《Communications Materials》的線上版上。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Materials
論文：Breaking the delithiation bottleneck in aluminum-foil anodes for rechargeable lithium batteries by Mn alloying
DOI：10.1038/s43246-026-01377-6
