华中科技大学/浙江大学，Nature！

米测MeLab

2025-07-18

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

锂（Li）金属阳极与高镍阴极的组合被认为是有望突破500 Wh kg⁻¹能量密度阈值的有力搭配。在接近如此高的能量密度时，能够稳定阳极和阴极界面的电解质对于保障电池的安全性能和实现长期稳定循环发挥着至关重要的作用。

关键问题

然而，锂金属电极界面稳定主要存在以下问题：

1、阴极电解质中间相（CEI）形成困难

当前电解质设计主要通过定制Li⁺阴离子溶剂化结构形成SEI来稳定锂金属阳极，但这种方法对阴极电解质中间相（CEI）的形成并不适用。单向电场和Li⁺浓度梯度会改变Li⁺ - 阴离子相互作用，使CEI形成面临独特挑战。

2、缺乏统一的界面稳定策略

目前虽然阴离子衍生的无机界面在锂金属阳极侧取得了显著成功，但缺乏一个同时稳定阳极和阴极界面的统一原则。现有的策略主要依赖于Li⁺的协调，而开发能够独立于Li⁺协调且同时保护两个电极的内在策略仍然是一个关键挑战。

新思路

有鉴于此，华中科技大学黄云辉教授、袁利霞教授，浙江大学陆俊教授等人报道了一种微乳液电解质设计策略，该策略可以绕过Li ⁺溶剂化调节，并为两种电极产生富氟界面相。具体来说，胶束与碳酸盐溶剂之间的液-液界面张力，而不是电场，推动氟化液滴向阳极和阴极运动。通过这种方式，两个电极的界面结构可以增强，并与溶剂化结构策略解耦。通过使用微乳液电解质，能量密度为531 Wh kg^-1和547 Wh kg^-1的两个软包全电池在189和155次循环后分别保留了81 %和79 %的容量。液-液界面张力的引入为相间调控和电解液设计提供了视角，为高电压锂金属电池的发展铺平了道路。

技术方案：

1、通过微乳液理论制备了一种新型电解质

本研究开发了一种微乳液电解质，利用液液界面张力驱动胶束聚集在电极表面，形成富LiF的SEI和CEI，显著提升了NCM 811软包电池的性能。

2、研究了微乳液电解质的结构和性能

作者通过多种分析手段研究了微乳液电解质的结构和性能。结果显示，该电解质在电极表面形成富LiF的SEI和CEI，显著提升了NCM 811电池的循环稳定性、倍率性能和界面稳定性。

3、实现了锂金属电池（LMB）界面的高效调控

本研究通过引入液-液界面张力设计微乳液电解质，筛选不混溶相（IM-F）和两亲性组分（AM-F），实现了锂金属电池界面的高效调控。少量IM-F即可重构电解质结构，显著提升电池性能和安全性，且降低了氟化溶剂用量。

技术优势：

1、提出了液液界面张力（γ_L-L）驱动的界面调控策略

本研究引入微乳液理论，利用液液界面张力（γ_L-L）作为驱动力，将界面调节与Li⁺和阴离子的迁移分离开来，使得阳极和阴极的界面（SEI和CEI）能够独立于溶剂化结构进行调控。

2、实现了高性能的软包电池

通过微乳液电解质设计，实现了高能量密度和高循环稳定性的软包电池。7.2 Ah的NCM 811软包电池在189次循环后能量密度达到531 Wh kg⁻¹且容量保持率为81%，7.5 Ah电池在155次循环后能量密度达到547 Wh kg⁻¹且容量保持率为79%。

技术细节

软包电池的性能

本研究通过微乳液理论制备了一种新型电解质，利用液液界面张力（γ_L-L）驱动核壳结构胶束（IM-F@AM-F）聚集在电极表面，形成富LiF的SEI和CEI，从而同时保护锂金属阳极和高镍阴极。实验中，以碳酸盐基电解质为基底，加入特定的IM-F和AM-F，制备出BO/TTE/PFP微乳液电解质。在NCM 811软包电池中，该电解质使电池在高截止电压下实现510 Wh kg⁻¹的能量密度，并在优化后达到531 Wh kg⁻¹和547 Wh kg⁻¹，循环189次和155次后容量保持率分别为81%和79%。

图  微乳液电解质工程策略及安时级锂的电化学性能||NCM811软包电池

γ_L-L诱导的界面相

作者通过多种分析手段研究了微乳液电解质（BO/TTE/PFP）的结构和性能。低温电子显微镜（cryo-EM）和拉曼分析显示，该电解质中存在50 - 120 nm的超细液滴，形成球形的PFP@TTE胶束，且这些胶束在电极表面富集，形成富LiF的SEI和CEI。紫外 - 可见光谱和原位拉曼表征进一步证实了PFP@TTE在电极界面的富集及其动态行为，表明其分布和迁移不受Li⁺运动和电场力的干扰。实验结果表明，BO/TTE/PFP电解质显著提升了NCM 811电池的循环稳定性、倍率性能和界面稳定性，循环100次后容量保持率高，且在4.7V下400次循环后容量保持率仍达94.4%。此外，该电解质还实现了稳定的富LiF CEI和SEI，有效抑制了界面副反应，为锂金属电池的高性能发展提供了新思路。

图  电解质和电极-电解质界面的结构表征

图  微乳液电解质电池的电化学性能

图  电极-电解质界面表征

微乳电解质工程

本研究通过引入液液界面张力（γ_L-L）设计微乳液电解质，实现了锂金属电池（LMB）界面的高效调控。作者通过筛选不混溶相（IM-F）和两亲性组分（AM-F），制备了八种微乳液电解质。实验表明，少量IM-F（<5体积%）即可引起电解质结构的彻底重构，显著提升电池性能。研究还提出了亲氟 - 亲有机平衡（FOB）数，用于定量定义含氟溶剂的亲氟性，为溶剂选择提供了新标准。BO/TTE/PFP电解质表现出最佳性能，LiCoO₂电池循环200次后容量保持率达97.8%。此外，通过降低氟化溶剂用量，仍可实现优异的界面调控效果。该电解质还显著提升了电池安全性，6.8 Ah软包电池在钉穿透测试中未发生热失控，电压保持稳定。

图  微乳电解液设计工程

展望

总之，本研究提出一种微乳液电解质，通过液液界面张力（γ_L-L）驱动，解耦界面结构与溶剂化离子迁移，实现对高镍阴极和锂金属阳极的同时保护。该电解质由氟化核壳结构胶束组成，富集于电极表面，形成富LiF的SEI和CEI，显著提升电池循环性能。NCM 811电池在4.5V和4.7V电压下分别实现84.6%和94.4%的容量保持率，软包电池能量密度达531 Wh kg⁻¹和547 Wh kg⁻¹，循环稳定性优异。

参考文献：

Ji, H., Xiang, J., Li, Y. et al. Liquid–liquid interfacial tension stabilized Li-metal batteries. Nature (2025).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09293-4