新能源汽車、無人機、機器人等領(lǐng)域?qū)︿囯姵啬芰棵芏取⒎€(wěn)定性、安全性提出了越來越高的應(yīng)用需求，如何實現(xiàn)電池高能量密度下的高穩(wěn)定和高安全(“三高”)是學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界長期面臨的巨大挑戰(zhàn)。7月16日，《自然》(Nature)在線刊發(fā)了中科技大學材料學院、材料成形與模具技術(shù)全國重點實驗室動力與儲能電池團隊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。團隊提出了破解鋰電池“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，但活性極高被譽為“圣杯”的金屬鋰負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，極易導致嚴重的副反應(yīng)，這不僅縮短電池使用壽命，且?guī)戆踩[患。電解液作為連接電池正負極的關(guān)鍵組分，其優(yōu)化設(shè)計對打破上述“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，對形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面膜(SEI)從而提升負極界面穩(wěn)定性成效顯著，但對高電壓正極界面膜(CEI)的優(yōu)化效果不佳(圖2a)。這是因為充電過程中在電場和濃度場梯度作用下，陰離子隨鋰離子向負極遷移，導致正極側(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，團隊提出基于液-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。通過分子設(shè)計，使全氟溶劑與局部氟化兩親性溶劑通過分子間作用力絡(luò)合形成微乳膠團(50-120 nm)，將氟化相均勻穩(wěn)定地分散于電解液連續(xù)相中，進一步利用γL–L驅(qū)動力使這些功能組分遷移，同步富集于正負極界面，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)和界面保護機制，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)，實現(xiàn)了對正負極界面協(xié)同的動態(tài)保護。研究表明，采用該策略研制的安時級Li||NCM811軟包電池呈現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能：能量密度高達547/531 Wh kg?1，循環(huán)155/189次后容量保持率仍達79%/81%(圖1c)，為目前行業(yè)領(lǐng)先水平;同時抑制了電池在循環(huán)過程中的產(chǎn)氣，針刺無壓降不起火，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)動的“微乳電解液”策略，不僅突破了傳統(tǒng)電解液組分設(shè)計的限制，而且通過物理場驅(qū)動機制實現(xiàn)了高電壓條件下正負極界面的動態(tài)協(xié)同穩(wěn)定，為實現(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?在充電過程的傳輸行為及正負極界面演化示意圖，對應(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)本文與報道的電池性能對比；(f)電池在循環(huán)前后的厚度變化

　　該論文由華中科技大學為第一完成單位和牽頭單位，聯(lián)合浙江大學、上?？臻g電源研究所、鄭州大學、武漢大學、清華大學共同完成。黃云輝和袁利霞，以及浙江大學陸俊教授為共同通訊作者，材料學院博士生紀海錦和向經(jīng)緯、上?？臻g電源研究所李永研究員、浙江大學博士后鄭夢婷為共同第一作者。黃云輝領(lǐng)銜的動力與儲能電池團隊長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5年，這也是該團隊繼與同濟大學等合作提出金屬鋰負極疲勞失效新機制(Science, 2025, 388, 311-316)，時隔3個月后發(fā)表的又一重要成果。

　　論文鏈接

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