基于液-液界面张力稳定的锂金属电池

基于液-液界面张力稳定的锂金属电池

锂金属负极与高镍正极组合被认为是一种有望突破500 Wh·kg⁻¹能量密度阈值的组合方案¹，²。要实现如此高的能量密度，能够稳定正负极界面的电解质对于确保电池的安全性和长期循环性能至关重要³，⁴。尽管阴离子衍生的无机界面在锂电领域已取得显著成功⁵–⁷，但如何开发能同时保护两个电极的内在策略仍是关键挑战。本文报道了一种微乳液电解质设计策略，该策略可绕过Li⁺溶剂化调控机制，并为两个电极均形成富氟化物界面。具体而言，正是胶束与碳酸盐溶剂之间的液-液界面张力（而非电场作用）驱动氟化液滴向正负极迁移。由此，可同时提升两个电极的界面结构质量，并使其独立于溶剂化结构设计。采用该微乳液电解质后，两块容量分别为531 Wh·kg⁻¹和547 Wh·kg⁻¹的 pouch 全电池在经历189次和155次循环后，分别仍保持81%和79%的初始容量。液-液界面张力的引入为界面调控与电解质设计提供了新思路，并为高压锂金属电池的研发奠定了基础。

文章核心创新点：

00001. 提出微乳液电解质新策略，跳出传统Li⁺溶剂化调控的研究框架，利用胶束与碳酸盐溶剂的液-液界面张力驱动功能组分迁移，为界面调控提供了新自由度。

00002. 揭示界面张力驱动氟化物种定向迁移的新机制，突破传统电场驱动的认知局限，实现氟化液滴独立于溶剂化结构向双电极同步迁移。

00003. 建立“溶剂化结构脱钩”的双电极保护新策略，同步在正负极构筑富氟界面，解决了传统策略无法兼顾两极保护的核心痛点。

00004. 在531 Wh·kg⁻¹与547 Wh·kg⁻¹的超高能量密度软包电池中，分别实现189次循环容量保持81%、155次循环容量保持79%的优异性能，完成极端工况下的实用化验证。

00005. 将液-液界面张力引入电解质设计领域，为电解液开发提供了全新的理论维度。

本工作通过机制范式转移、脱钩策略设计、极端性能验证与新理论构建的完整创新路径，系统性拓展了高压锂金属电池电解液的设计边界。

研究背景

高压金属锂电池的实用化进程长期受限于金属锂负极与深度脱锂正极的界面失稳问题，该瓶颈已成为领域内的核心研究焦点[8–11]。现有电解液优化策略多以调控锂离子-阴离子溶剂化结构为核心路径，通过诱导阴离子优先分解构筑稳定的SEI膜，实现金属锂负极性能的有效提升[12–16]。

然而，该类策略存在固有局限性：正极侧的单向电场与锂离子浓度梯度，使得正极区域离子相互作用的演化规律与负极SEI形成机制存在本质区别，难以同步实现CEI膜的可控构筑。当前领域内仍缺乏可同时适配正负极界面的统一调控理论，亟需建立脱离锂离子配位依赖的全新调控体系。本研究创新性地将液-液界面张力（γL−L）作为独立驱动力，实现界面调控过程与离子迁移行为的解耦。基于微乳液理论开发的新型碳酸酯基电解液，以50–120 nm的超细分散液滴在连续溶剂相中构建了丰富的液-液界面体系。

利用界面张力自发降低体系界面能的特性，分散相微液滴可自主迁移至正负极表面，完全规避电场与浓度梯度对成膜过程的干扰，最终达成SEI与CEI的同步可控构建。电化学测试结果显示，该电解液支撑的锂金属||NCM811电池在4.5 V高截止电压下循环850次容量保持率达84.6%，4.7 V超高电压下循环400次容量保持率可达94.4%。

放大制备的安时级软包电池进一步验证了体系的实用性：7.2 Ah电芯能量密度达531 Wh·kg⁻¹，189次循环后容量保持率为81%；7.5 Ah电芯能量密度提升至547 Wh·kg⁻¹，155次循环后容量保持率为79%。该液-液界面张力调控机制突破了传统溶剂化调控的框架限制，为金属锂电池及其他电化学体系的电解液设计提供了全新的研究范式。

结果解析

微乳液电解质工程策略及安培时级Li||NCM811软包电池的电化学性能

电解质及电极-电解质界面的结构表征

采用微乳液电解质的电池电化学性能

电极-电解质界面表征

微乳液电解质设计工程

研究结论

我们在此揭示了一种关键驱动力—— γL -L，它能够将界面构建过程与溶剂化离子的迁移过程解耦。这一机制不仅实现了对高度脱锂阴极和活性锂金属阳极的同时保护，还平衡了电解质的动力学性能与稳定性。基于 γL -L原理，我们制备了由超细不溶性液滴（50–120 nm）分散于连续碳酸盐电解质中的微乳液电解质。通过筛选具有良好混溶性的氟化溶剂IM-F和AM-F，成功形成了不溶性核壳结构的IM-F@AM-F胶束。IM-F@AM-F胶束与碳酸盐电解质之间强烈的 γL -L作用促使这些胶束在全电池中同时聚集于阳极和阴极表面。IM-F@AM-F胶束的迁移与富集过程不仅遵循电场方向变化及Li⁺浓度梯度的变化规律，更因其富集特性可作为储库，持续形成并维持富含LiF的CEI和SEI层，从而在整个长循环过程中提供持续保护。采用该微乳液电解质后，Li||NCM811纽扣电池在充电至4.5 V条件下经过850次循环仍保持84.6%的容量；在充电至4.7 V条件下经过400次循环时，容量保留率仍达94.4%。更重要的是，这种电解质能够实现安时级软包电池的理想循环性能：在经历189次/155次循环后，其能量密度仍分别达到531 Wh·kg⁻¹和547 Wh·kg⁻¹，并保持初始容量的81%/79%。该微乳液电解质策略不仅对高能量密度锂金属电池具有重要应用价值，也适用于其他可充电电池领域。

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