电子游艺 郑家新课题组联合中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员、邓伟副研究员，将机器学习方法、跨尺度模拟与实验相结合，提出了一种用于解析锂金属界面电荷动态行为的新型定量描述方法，实现了对不同电解液体系中锂枝晶生长行为的统一描述与机理解释。相关研究成果以“Interfacial excess charge dynamics as a quantitative descriptor to understand lithium dendrite growth”为题，发表于国际顶级期刊 Nature Communications。

图1. 论文发表于《自然·通讯》

锂金属电池凭借其超高的能量密度，成为下一代高能量密度储能技术的核心发展方向。然而，电沉积过程涉及体相Li⁺扩散、脱溶剂化、电荷转移及电结晶等复杂步骤，极易形成具有分形结构的锂枝晶。锂枝晶不仅会穿透固体电解质界面（SEI）消耗活性锂，其尖端在脱锂过程中还易脱落形成“死锂”，导致电池容量快速衰减甚至引发安全事故。目前，关于锂枝晶起源的研究主要集中于动力学视角，多分析体相Li⁺扩散与界面消耗的速率不匹配（如Sand时间模型）。相比之下，热力学视角则侧重于考察电极表面过剩电荷的作用，但现有研究依赖理论计算和事后形貌分析，难以实时追踪界面电荷的产生、消耗与分布动态，也无法有效解释不同电解液体系（如稀电解液与高浓度电解液）中枝晶抑制机制的差异。

图2.不同电解液体系中Li/电解液界面的过剩电荷特征

针对这一挑战，研究团队提出利用界面过剩电荷分布因子作为定量描述符，该描述符整合了电极表面过剩电荷、界面电荷消耗速率和阳离子屏蔽效应三大因素，实现了对不同溶剂化体系下锂枝晶生长行为的统一描述。此外，该研究还提出了一种基于电化学活性表面积（ECSA）生长速率的测试方法，验证了界面过剩电荷分布动态与锂沉积形貌的关联。研究结合经典分子动力学模拟、机器学习原子电荷预测、多尺度原位/非原位表征等方法，揭示了界面过剩电荷动态变化的调控机制，即界面过剩电荷的消耗速率由Li⁺-偶极-阴离子相互作用决定，电极过剩电荷程度由溶剂化结构和阳离子屏蔽效应调控，二者的竞争关系最终决定锂枝晶的生长行为。基于上述机理，在低N/P比（0.80）及贫电解液条件（电解液用量为1.00 g/Ah）下，所组装的 6.4 Ah锂金属软包电池实现了稳定循环，电池比能量达515Wh/kg。

图3.界面过剩电荷分布动态过程的定量描述符

该研究展示了人工智能与多尺度计算在复杂电池界面研究中的重要价值，同时结合实验表征实现了理论预测与实际电化学行为之间的闭环验证，为理解锂金属负极界面演化规律提供了新的理论框架，也为高性能锂金属电池电解液与界面设计提供了重要指导。未来，研究团队将继续推动AI、计算模拟与先进实验技术的深度融合，发展更高效、更智能的材料研究方法，为下一代高能量密度储能体系设计提供理论与技术支撑。

作者信息：

中国科学院深圳先进技术研究院博士生李学忠、电子游艺 博士后赖根明为论文共同第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员、邓伟副研究员，电子游艺 郑家新长聘副教授为论文共同通讯作者。该研究得到了电子游艺 深圳研究生院AI4S交叉专项计划的支持。

论文链接：//www.nature.com/articles/s41467-026-72472-y