天津大学，Nature！

米测MeLab

2025-08-25

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

锂金属电池（LMBs）由于其卓越的能量密度，被认为是推动下一代储能和电动汽车技术发展的关键。与传统锂离子电池相比，LMBs 在提升能量密度方面具有显著优势。

关键问题

然而，锂离子电池的应用主要存在以下问题：

1、现有电解质设计固有的局限性限制了性能优化

当前电解质设计依赖主导溶剂化结构，难以兼顾锂负极和高压正极的稳定性。溶剂主导结构虽提高Li⁺迁移速率，但易形成阻碍导电的SEI；阴离子主导结构虽利于稳定锂沉积/剥离，却阻碍Li⁺传输。

2、优化单一溶剂化结构面临内在权衡

在局部溶剂化化学中，溶剂主导和阴离子主导溶剂化结构之间存在固有的权衡，导致开发最优电解质配方极具挑战性。过分侧重优化单一溶剂化结构可能无意中限制了对替代组分和更优性能的探索。

新思路

有鉴于此，天津大学-新加坡国立大学福州联合学院胡文彬教授、天津大学韩晓鹏教授、郭灏博士和西北核技术研究所欧阳晓平院士等人通过一种离域的电解质设计来解决上述限制，该设计促进了更无序的溶剂化微环境，从而缓解了动态障碍并稳定了界面相。得到的离域电解质在5.5 -Ah LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂(Ni90) ||Li软包电池中提供了显著的能量密度604.2 Wh kg ^-1和在5.2-Ah Ni90||Li软包电池中具有超贫电解质设计( 0.9 g Ah^-1)的618.2 Wh kg^-1，分别在100和90个循环中保持显著的循环稳定性。此外，70~104 V NCM811 || Li电池组( 3904 Wh)表现出480.9 Wh kg ^-1的高能量密度和超过25个循环的稳定循环。

技术方案：

1、筛选了非局域化电解质

作者收集了288种溶剂和99种锂盐的分子结构，结合人工智能K-means聚类分析，筛选出有前景的锂盐和溶剂用于非局域化电解质设计，验证了机器学习的高效性。

2、阐述了非局域化电解质的设计理念及其与传统电解质的区别

超非局域化电解质通过整合多种溶剂和盐，形成无序的面状溶剂化微环境，缺乏主导结构，协同利用溶剂主导和阴离子主导的优势，降低Li⁺脱溶剂化和扩散势垒。

3、使用超非局域化电解质的多种电池进行了全面评估

使用UDE1电解质的锂金属软包电池展现出卓越的能量密度和循环稳定性，部分电池能量密度超600 Wh kg⁻¹，循环百次后容量保持率高。

4、表征了拆解循环后的NCM811||Li电池电极及界面

作者拆解NCM811||Li电池后发现，UDE1电解质使锂箔厚度和孔隙率减少，正极结构变化小，形成薄重构层。AIMD模拟和光谱分析表明，UDE1形成薄而均匀、富含无机物的SEI和CEI，显著提升电池结构完整性和稳定性。

技术优势：

1、提出了非局域化电解质设计范式

本文突破了传统电解质依赖单一主导溶剂化结构的限制，通过构建高度无序的溶剂化微环境，协同利用溶剂主导和阴离子主导的优势，实现了锂离子电池性能的变革性提升。

2、实现超高能量密度和高安全性的大型锂金属电池

本文成功开发出能量密度超过600 Wh kg⁻¹的安时级锂金属软包电池，并首次展示了能量密度达到480.9 Wh kg⁻¹的3.9 kWh锂金属电池包，同时通过氟化组分显著提升了电池的固有安全性，为锂金属电池的实际应用奠定了基础。

技术细节

非局域化电解质筛选

为了识别有前景的溶剂和盐候选物以实现非局域化电解质设计，作者系统地收集了288种溶剂和99种锂盐的分子结构，并进行了系统性的DFT计算，以获取关键的物理化学描述符。这些描述符包括最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO），它们用于评估电压窗口，其中理想的是低HOMO和高LUMO值的。与Li⁺的溶剂化能（E_solvation）和与Li⁺的结合能（E_binding）也作为溶剂化结构的关键决定因素。为了系统识别最有前景的锂盐和溶剂，将电解质组分筛选标准与人工智能驱动的K-means聚类分析相结合。在聚类分析中，HOMO、LUMO和E_solvation用作溶剂聚类的描述符，而HOMO、LUMO和E_binding用作盐聚类的描述符。经过5,000次迭代的K-means聚类后，获得了稳定的聚类分布。所选的目标盐和溶剂随后被用于非局域化电解质的设计，证明了机器学习在此类筛选中的高效性。

图  电解液设计和组分筛选策略

非局域化电解质机制

作者进一步深入阐述了非局域化电解质的设计理念及其与传统电解质的区别。传统局部电解质（LE）由单一盐和一到三种溶剂组成，其溶剂化结构呈点状分布，限制了Li⁺离子迁移率和界面动力学。半非局域化电解质（SDE）通过将单一盐与多种溶剂结合，形成了线状溶剂化结构，但仍受单一盐固有结合能的限制。**超非局域化电解质（UDE）**通过整合更广泛范围的溶剂和盐，显著增强了溶剂化微环境的无序性，形成了面状溶剂化微环境，缺乏主导的特定溶剂化结构。这种配置促进了更动态和多功能的溶剂化化学，能够协同利用溶剂主导和阴离子主导溶剂化结构的优势，从而实现低Li⁺脱溶剂化和扩散势垒。分子动力学模拟结果表明，UDE呈现出最无序的溶剂化环境和最宽的溶剂化状态分布，Li-Li径向分布函数显示UDE具有广泛的Li-Li峰，表明Li离子在多个局部环境中被协调。同步辐射广角X射线散射进一步证实了UDE在低Q和高Q区域的散射谱显著展宽，分别反映了介观离子-溶剂簇的结构多样性增加以及Li⁺物种溶剂化鞘层中局部构型无序性升高。

图  不同离域电解质的微观溶剂化微环境

电解质在锂金属软包电池中的评估

作者对使用超非局域化电解质的多种电池进行了全面评估，涵盖扣式电池到安时级软包电池。结果显示，500 Wh kg⁻¹级锂金属软包电池表现出卓越的循环稳定性，例如1.9 Ah NCM811||Li软包电池在150次循环后仍保持404.1 Wh kg⁻¹的能量密度，300次循环后容量无明显下降。通过高载量Ni90正极和贫电解质设计，5.5 Ah Ni90||Li软包电池实现了604.2 Wh kg⁻¹的能量密度，100次循环后仍有517.7 Wh kg⁻¹。超贫电解质设计的5.2 Ah Ni90||Li软包电池能量密度达618.2 Wh kg⁻¹，稳定循环超过90次。在安全性方面，UDE1软包电池通过针刺测试表现出更稳定的热学和机械行为，分解气体和晶格氧释放量显著减少。最终，研究人员组装了一个3,904 Wh的锂金属电池包，能量密度达480.9 Wh kg⁻¹，25次循环后性能稳定。这一成果标志着高能量锂金属电池从实验室向电动交通和电网储能等能源密集型应用转化的变革性突破。

图  锂金属袋电池在不同电解液中的电化学性能

电极和界面表征

作者拆解循环后的NCM811||Li电池，发现使用UDE1电解质的电极结构完整性优异。循环后锂箔厚度和孔隙率显著减少，归因于UDE1中Li⁺快速脱溶剂化和稳定SEI的形成。而使用LE1电解质的NCM811正极颗粒出现裂纹和晶体结构扭曲，层状结构转变为无序的尖晶石和岩盐相混合结构；UDE1中循环的NCM811正极结构变化极小，仅形成厚度小于2纳米的薄重构层。AIMD模拟显示，溶剂主导的局域化电解质主要生成有机物质，SDE和UDE主要分解为富无机物组分，但SDE因反应性溶剂化环境导致过量分解产物。只有UDE实现了最佳溶剂化平衡，促进稳定SEI组分的形成，同时最大程度减少分解。X射线光电子能谱和飞行时间二次离子质谱分析结果表明，UDE1在锂负极上形成了薄而均匀且富含LiF、Li₃N等无机物的SEI，在正极上形成了薄而致密的CEI，从而显著提升了电池的结构稳定性和循环性能。

图  对拆解的6.9 - Ah NCM811||Li软包电池循环后的锂箔和高载量正极片进行表征

图  不同电解质的电解质-电极界面分析

展望

总之，本文提出了一种离域电解质设计，结合人工智能驱动的组分筛选方法，突破了溶剂化结构限制，促进了离域电解质环境。该设计减少了动力学障碍，稳定了界面，显著提升了锂金属袋电池的循环性能，能量密度达500 - 600 Wh kg⁻¹。其中，3.9 kWh的NCM811||锂电池组实现了480.9 Wh kg⁻¹的能量密度和超过25次的稳定循环。这种离域设计原理不仅适用于锂金属电池，还为电解质工程和高能可充电电池技术的发展提供了变革性框架，推动了相关领域的突破。

参考文献：

Huang, H., Hu, Y., Hou, Y. et al. Delocalized electrolyte design enables 600 Wh kg−1 lithium metal pouch cells. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09382-4