南大團隊定制電極界面微環境，讓高比能鋰金屬電池“穩”下來

 

　　鋰金屬電池面臨的挑戰
 

　　鋰金屬電池憑借其超高能量密度優勢，成為支撐新能源汽車、高級消費電子等產業轉型升級的關鍵儲能技術。然而，目前商業化的碳酸酯基電解液難以穩定鋰金屬負極，這不僅導致電池可用壽命不足，嚴重的鋰枝晶生長還會帶來極大的安全隱患。
 

　　近年來，要進一步提高鋰金屬負極可逆性，需要完成從傳統的以溶劑為主導的電解質溶劑化結構向富陰離子溶劑化結構的轉變，已成為業界共識。其中，結合高濃度鋰鹽與反溶劑的局部高濃度醚基電解液，憑借其富陰離子的溶劑化結構與良好的理化特性，使鋰負具備良好的可逆性以及相較低濃度電解液更好的高電壓穩定性，推動了鋰金屬電池的技術迭代。然而，在電池充電這一動態過程中，不可避免地需要界面處電解液中的溶劑或陰離子來接收正極釋放的鋰離子。這也就意味著即使在高濃度電解液，這樣一個被認為在靜態下幾乎所有溶劑、陰離子都參與進鋰離子溶劑化團簇的體系中，在電極表面仍需要發生溶劑、陰離子的暫態脫配位，從而與新脫出的鋰離子締合。而像這種非配位態的溶劑或陰離子，往往是不穩定的，易發生不可逆分解。電解液組分的分解不僅會持續惡化電極界面，不同步的各組分降解情況還會使溶劑化結構發生變化，這反過來又會進一步影響電解液的氧化還原穩定性，加速電解液消耗，最終影響電池循環壽命。
 

　　梯度溶劑化結構電解液設計
 

　　針對上述問題，研究團隊引入了一種可以靶向配位的反溶劑(TLAS)。研究發現該反溶劑在充電過程的電場作用下，對正極釋放的鋰離子表現出介導能力，從而可以極大程度地繞過鋰離子溶劑化團簇中主溶劑和陰離子的脫配位過程，這可以抑制鋰離子溶劑化團簇組分在正極表面的降解，以及后續副反應產物在正負極間的串擾，從而在陰離子主導的溶劑化團簇和醚類溶劑對鋰負極兼容性優異的情況下，穩定正極界面。同時，TLAS的靶向配位行為僅能在正極表面區域被觀測到，遠離電極界面的體相則表現出類似靜態下熱力學平衡的溶劑化狀態，表明所提出電解液在電場作用下的溶劑化結構呈現空間梯度性。
 

　　高比能鋰金屬軟包電池驗證
 

　　團隊所提出的梯度溶劑化結構電解液在面向實際應用的高能量密度鋰金屬軟包電池中得到了驗證。結合薄鋰負極、高負載的高鎳正極以及貧電解液的嚴苛條件，采用梯度溶劑化結構電解液的450 Wh kg–1級鋰金屬軟包電池可實現超750次的循環壽命。進一步將電池參數推向極限，鋰金屬軟包電池的能量密度可以達到605 Wh kg–1，并穩定循環150次。這一研究成果不僅為高能量密度鋰金屬電池電解質工程提供了新思路，還有望被拓寬到其他電池體系與應用場景。
 

　　該研究通過引入一種電場響應的靶向配位反溶劑，構筑了一種單相梯度電解液來定制化調控電極界面穩定性。不同于以往電解質設計策略聚焦靜態下的溶劑化結構調控，該工作轉向精準調控電極界面的動態溶劑化行為，為堿金屬電池電解質工程提供了新范式。
 

　　南京大學周豪慎教授為該論文的通訊作者，通訊單位為南京大學現代工程與應用科學學院、固體微結構物理國家重點實驗室與人工微結構科學與技術協同創新中心。南京大學現代工程與應用科學學院直博生楊伍桀為該論文的第一作者。湖南大學蔡鍵鋒和鄭州大學李翔分別在理論計算模擬和冷凍透射電子顯微鏡表征方面提供支持。該工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、江蘇省碳達峰碳中和科技創新專項資金的支持。
 

　　引用：《自然》發文！南大團隊定制電極界面微環境，讓高比能鋰金屬電池“穩”下來-南京大學 【引用時間：2026年7月10日】