中國教育在線
新(xin)能源汽車、無人機(ji)、機(ji)器人等領域對鋰(li)電(dian)池(chi)能量密(mi)度(du)、穩(wen)(wen)定性、安全(quan)性提出了越來(lai)越高的(de)(de)應用需(xu)求(qiu)，如何(he)實(shi)現電(dian)池(chi)高能量密(mi)度(du)下的(de)(de)高穩(wen)(wen)定和高安全(quan)(“三高”)是(shi)學(xue)術界(jie)和產(chan)業界(jie)長期面臨的(de)(de)巨大(da)挑戰。7月(yue)16日(ri)，《自然》(Nature)在線刊發了中科技大(da)學(xue)材料學(xue)院、材料成(cheng)形(xing)與模具技術全(quan)國重點實(shi)驗室動(dong)力(li)與儲能電(dian)池(chi)團(tuan)隊(dui)黃云輝教(jiao)授和袁利霞(xia)教(jiao)授題為(wei)“液(ye)-液(ye)界(jie)面張力(li)穩(wen)(wen)定的(de)(de)鋰(li)金(jin)屬電(dian)池(chi)”(Liquid-liquid interfacial tension stabilized Li metal batteries)的(de)(de)研究(jiu)論文。團(tuan)隊(dui)提出了破解鋰(li)電(dian)池(chi)“三高”難題的(de)(de)新(xin)策略。
鋰(li)金(jin)(jin)屬電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)被(bei)視(shi)為最(zui)具潛(qian)力(li)但又(you)最(zui)具挑戰的(de)(de)(de)(de)下一(yi)代電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)體系，但活性(xing)極(ji)(ji)(ji)高(gao)被(bei)譽為“圣杯”的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬鋰(li)負(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)和高(gao)鎳(nie)三(san)元等高(gao)電(dian)(dian)壓正極(ji)(ji)(ji)兩側(ce)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)界面(mian)(mian)均不(bu)穩(wen)(wen)定(ding)，極(ji)(ji)(ji)易(yi)導(dao)致嚴重的(de)(de)(de)(de)副反應，這(zhe)不(bu)僅縮短電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)使用(yong)(yong)壽命，且帶來安全隱患。電(dian)(dian)解液作為連接電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)正負(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)關鍵組分(fen)，其(qi)優化設計對打破(po)上述“三(san)高(gao)”瓶(ping)頸至關重要。目前通常采用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)調整鋰(li)鹽/溶劑(ji)配比或引入功能添(tian)加劑(ji)等策略，對形(xing)成穩(wen)(wen)定(ding)的(de)(de)(de)(de)固態電(dian)(dian)解質界面(mian)(mian)膜(SEI)從而提升負(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)界面(mian)(mian)穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)成效顯(xian)著，但對高(gao)電(dian)(dian)壓正極(ji)(ji)(ji)界面(mian)(mian)膜(CEI)的(de)(de)(de)(de)優化效果不(bu)佳(圖2a)。這(zhe)是(shi)因為充(chong)電(dian)(dian)過(guo)程中在電(dian)(dian)場和濃度(du)場梯度(du)作用(yong)(yong)下，陰離(li)子(zi)隨鋰(li)離(li)子(zi)向負(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)遷移，導(dao)致正極(ji)(ji)(ji)側(ce)缺乏(fa)有(you)效的(de)(de)(de)(de)成膜組分(fen)，難以形(xing)成穩(wen)(wen)定(ding)的(de)(de)(de)(de)CEI，最(zui)終(zhong)影(ying)響電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)整體界面(mian)(mian)穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)。
為突(tu)破這(zhe)(zhe)一瓶頸，團隊提出基于(yu)(yu)液(ye)(ye)-液(ye)(ye)界(jie)面(mian)(mian)(mian)張力(li)(γL–L)的(de)(de)界(jie)面(mian)(mian)(mian)調控新策略，發明了一類新型的(de)(de)非均(jun)相微乳電(dian)(dian)解液(ye)(ye)，成(cheng)功(gong)(gong)將溶解性(xing)(xing)較差(cha)的(de)(de)功(gong)(gong)能性(xing)(xing)溶劑組分引(yin)入至電(dian)(dian)解液(ye)(ye)體(ti)系。通(tong)過(guo)分子設計(ji)，使(shi)全(quan)氟溶劑與(yu)局部氟化(hua)(hua)兩親(qin)性(xing)(xing)溶劑通(tong)過(guo)分子間作用(yong)力(li)絡合形成(cheng)微乳膠團(50-120 nm)，將氟化(hua)(hua)相均(jun)勻穩定地(di)分散于(yu)(yu)電(dian)(dian)解液(ye)(ye)連續相中(zhong)，進一步利用(yong)γL–L驅動力(li)使(shi)這(zhe)(zhe)些功(gong)(gong)能組分遷移，同(tong)步富集(ji)于(yu)(yu)正負極(ji)界(jie)面(mian)(mian)(mian)，構(gou)建梯度分布(bu)的(de)(de)氟化(hua)(hua)界(jie)面(mian)(mian)(mian)溶劑化(hua)(hua)層(圖1b)。這(zhe)(zhe)種(zhong)不(bu)依賴電(dian)(dian)場(chang)方向和濃度梯度的(de)(de)界(jie)面(mian)(mian)(mian)結構(gou)構(gou)建方式(shi)，有效解耦(ou)了溶劑化(hua)(hua)結構(gou)和界(jie)面(mian)(mian)(mian)保(bao)(bao)護機制(zhi)，減弱(ruo)了高活性(xing)(xing)溶劑與(yu)電(dian)(dian)極(ji)的(de)(de)接觸(chu)，顯(xian)著抑(yi)制(zhi)了界(jie)面(mian)(mian)(mian)副(fu)反應，實現了對正負極(ji)界(jie)面(mian)(mian)(mian)協同(tong)的(de)(de)動態保(bao)(bao)護。研究表(biao)明，采用(yong)該策略研制(zhi)的(de)(de)安(an)(an)時(shi)級Li||NCM811軟包電(dian)(dian)池呈現出非常優異(yi)的(de)(de)性(xing)(xing)能：能量密度高達547/531 Wh kg?1，循(xun)環155/189次后容量保(bao)(bao)持率仍(reng)達79%/81%(圖1c)，為目前行業領(ling)先水平;同(tong)時(shi)抑(yi)制(zhi)了電(dian)(dian)池在循(xun)環過(guo)程中(zhong)的(de)(de)產(chan)氣(qi)，針刺無壓降(jiang)不(bu)起火，突(tu)破了高比能電(dian)(dian)池安(an)(an)全(quan)性(xing)(xing)差(cha)的(de)(de)瓶頸。
該(gai)研究提出的(de)界面(mian)張力驅動(dong)的(de)“微乳(ru)電(dian)解液”策略，不(bu)僅突(tu)破了(le)傳統電(dian)解液組分設計(ji)的(de)限(xian)制(zhi)，而且通過物理場驅動(dong)機(ji)制(zhi)實(shi)現(xian)了(le)高(gao)電(dian)壓條件下正負(fu)極界面(mian)的(de)動(dong)態協同穩定(ding)，為實(shi)現(xian)電(dian)池高(gao)能量密度、高(gao)穩定(ding)和高(gao)安全提供了(le)新的(de)解決方(fang)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)電池在循環前后的厚度變化
該(gai)論(lun)文由(you)華中科技大(da)(da)(da)學(xue)(xue)為第(di)一完成(cheng)(cheng)單(dan)位(wei)和(he)牽(qian)頭單(dan)位(wei)，聯合浙(zhe)江(jiang)大(da)(da)(da)學(xue)(xue)、上海(hai)空間電(dian)源研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)、鄭(zheng)州大(da)(da)(da)學(xue)(xue)、武漢(han)大(da)(da)(da)學(xue)(xue)、清華大(da)(da)(da)學(xue)(xue)共同完成(cheng)(cheng)。黃(huang)云(yun)輝和(he)袁利霞，以及浙(zhe)江(jiang)大(da)(da)(da)學(xue)(xue)陸俊教授為共同通訊(xun)作者，材料(liao)學(xue)(xue)院博士(shi)(shi)生紀海(hai)錦和(he)向經緯、上海(hai)空間電(dian)源研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)李永研(yan)究(jiu)(jiu)員(yuan)、浙(zhe)江(jiang)大(da)(da)(da)學(xue)(xue)博士(shi)(shi)后(hou)(hou)鄭(zheng)夢婷為共同第(di)一作者。黃(huang)云(yun)輝領銜的(de)動力與儲能電(dian)池團(tuan)隊(dui)長期(qi)致(zhi)力于高(gao)比能高(gao)安全鋰電(dian)池領域的(de)研(yan)究(jiu)(jiu)，該(gai)工作從提(ti)出到(dao)完成(cheng)(cheng)歷(li)時(shi)5年，這也是該(gai)團(tuan)隊(dui)繼(ji)與同濟大(da)(da)(da)學(xue)(xue)等合作提(ti)出金(jin)屬鋰負極疲(pi)勞失(shi)效新機制(Science, 2025, 388, 311-316)，時(shi)隔3個月后(hou)(hou)發表的(de)又一重要成(cheng)(cheng)果。
論文鏈接
//www.nature.com/articles/s41586-025-09293-4
① 凡(fan)本(ben)(ben)站(zhan)(zhan)注(zhu)明“稿(gao)件(jian)(jian)來源：中(zhong)國教育(yu)在線”的所有(you)文字、圖片和音視頻稿(gao)件(jian)(jian)，版權均屬本(ben)(ben)網所有(you)，任何媒體、網站(zhan)(zhan)或個(ge)人(ren)未經本(ben)(ben)網協議(yi)授權不得轉載(zai)、鏈接、轉貼或以其他(ta)方式復制(zhi)發(fa)表。已經本(ben)(ben)站(zhan)(zhan)協議(yi)授權的媒體、網站(zhan)(zhan)，在下(xia)載(zai)使用時必須注(zhu)明“稿(gao)件(jian)(jian)來源：中(zhong)國教育(yu)在線”，違者本(ben)(ben)站(zhan)(zhan)將依(yi)法追(zhui)究責任。
② 本站注明稿(gao)件(jian)(jian)來(lai)源為(wei)其(qi)他(ta)媒體(ti)的文(wen)/圖等(deng)稿(gao)件(jian)(jian)均為(wei)轉載稿(gao)，本站轉載出于(yu)非商業性的教育(yu)和科研之目的，并(bing)不意(yi)味(wei)著(zhu)贊同其(qi)觀(guan)點(dian)或證(zheng)實其(qi)內(nei)容的真實性。如轉載稿(gao)涉及(ji)版權等(deng)問題，請作者(zhe)在(zai)兩(liang)周內(nei)速來(lai)電(dian)或來(lai)函聯系。