新能源汽車、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等領(lǐng)域?qū)︿囯姵啬芰棵芏取⒎€(wěn)定性、安全性提出了越來(lái)越高的應(yīng)用需求，如何實(shí)現(xiàn)電池高能量密度下的高穩(wěn)定和高安全(“三高”)是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界長(zhǎng)期面臨的巨大挑戰(zhàn)。7月16日，《自然》(Nature)在線刊發(fā)了中科技大學(xué)材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)力與儲(chǔ)能電池團(tuán)隊(duì)黃云輝教授和袁利霞教授題為“液-液界面張力穩(wěn)定的鋰金屬電池”(Liquid-liquid interfacial tension stabilized Li metal batteries)的研究論文。團(tuán)隊(duì)提出了破解鋰電池“三高”難題的新策略。

　　鋰金屬電池被視為最具潛力但又最具挑戰(zhàn)的下一代電池體系，但活性極高被譽(yù)為“圣杯”的金屬鋰負(fù)極和高鎳三元等高電壓正極兩側(cè)的電極界面均不穩(wěn)定，極易導(dǎo)致嚴(yán)重的副反應(yīng)，這不僅縮短電池使用壽命，且?guī)?lái)安全隱患。電解液作為連接電池正負(fù)極的關(guān)鍵組分，其優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)打破上述“三高”瓶頸至關(guān)重要。目前通常采用的調(diào)整鋰鹽/溶劑配比或引入功能添加劑等策略，對(duì)形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面膜(SEI)從而提升負(fù)極界面穩(wěn)定性成效顯著，但對(duì)高電壓正極界面膜(CEI)的優(yōu)化效果不佳(圖2a)。這是因?yàn)槌潆娺^(guò)程中在電場(chǎng)和濃度場(chǎng)梯度作用下，陰離子隨鋰離子向負(fù)極遷移，導(dǎo)致正極側(cè)缺乏有效的成膜組分，難以形成穩(wěn)定的CEI，最終影響電池的整體界面穩(wěn)定性。

　　為突破這一瓶頸，團(tuán)隊(duì)提出基于液-液界面張力(γL–L)的界面調(diào)控新策略，發(fā)明了一類新型的非均相微乳電解液，成功將溶解性較差的功能性溶劑組分引入至電解液體系。通過(guò)分子設(shè)計(jì)，使全氟溶劑與局部氟化兩親性溶劑通過(guò)分子間作用力絡(luò)合形成微乳膠團(tuán)(50-120 nm)，將氟化相均勻穩(wěn)定地分散于電解液連續(xù)相中，進(jìn)一步利用γL–L驅(qū)動(dòng)力使這些功能組分遷移，同步富集于正負(fù)極界面，構(gòu)建梯度分布的氟化界面溶劑化層(圖1b)。這種不依賴電場(chǎng)方向和濃度梯度的界面結(jié)構(gòu)構(gòu)建方式，有效解耦了溶劑化結(jié)構(gòu)和界面保護(hù)機(jī)制，減弱了高活性溶劑與電極的接觸，顯著抑制了界面副反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正負(fù)極界面協(xié)同的動(dòng)態(tài)保護(hù)。研究表明，采用該策略研制的安時(shí)級(jí)Li||NCM811軟包電池呈現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能：能量密度高達(dá)547/531 Wh kg?1，循環(huán)155/189次后容量保持率仍達(dá)79%/81%(圖1c)，為目前行業(yè)領(lǐng)先水平;同時(shí)抑制了電池在循環(huán)過(guò)程中的產(chǎn)氣，針刺無(wú)壓降不起火，突破了高比能電池安全性差的瓶頸。

　　該研究提出的界面張力驅(qū)動(dòng)的“微乳電解液”策略，不僅突破了傳統(tǒng)電解液組分設(shè)計(jì)的限制，而且通過(guò)物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了高電壓條件下正負(fù)極界面的動(dòng)態(tài)協(xié)同穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)電池高能量密度、高穩(wěn)定和高安全提供了新的解決方案。

　　圖1.(a)、(b)Li?在充電過(guò)程的傳輸行為及正負(fù)極界面演化示意圖，對(duì)應(yīng)Li?溶劑化策略(a)和微乳電解液策略(b)；(c)Li||NCM811軟包電池在微乳電解液中的循環(huán)性能；(d)電池的電壓-容量曲線;(e)本文與報(bào)道的電池性能對(duì)比；(f)電池在循環(huán)前后的厚度變化

　　該論文由華中科技大學(xué)為第一完成單位和牽頭單位，聯(lián)合浙江大學(xué)、上?？臻g電源研究所、鄭州大學(xué)、武漢大學(xué)、清華大學(xué)共同完成。黃云輝和袁利霞，以及浙江大學(xué)陸俊教授為共同通訊作者，材料學(xué)院博士生紀(jì)海錦和向經(jīng)緯、上?？臻g電源研究所李永研究員、浙江大學(xué)博士后鄭夢(mèng)婷為共同第一作者。黃云輝領(lǐng)銜的動(dòng)力與儲(chǔ)能電池團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于高比能高安全鋰電池領(lǐng)域的研究，該工作從提出到完成歷時(shí)5年，這也是該團(tuán)隊(duì)繼與同濟(jì)大學(xué)等合作提出金屬鋰負(fù)極疲勞失效新機(jī)制(Science, 2025, 388, 311-316)，時(shí)隔3個(gè)月后發(fā)表的又一重要成果。

　　論文鏈接

　　https://www.nature.com/articles/s41586-025-09293-4