中科大攻克鋰金屬電池快充難題，15分鐘滿(mǎn)電，終結(jié)續(xù)航焦慮

從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車(chē)，絕大多數(shù)電子設(shè)備都依賴(lài)傳統(tǒng)的鋰離子電池（LIBs）供電 。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的技術(shù)迭代，鋰離子電池的安全性、循環(huán)壽命已趨于成熟，成為當(dāng)下主流的儲(chǔ)能方案，但其能量密度已逐漸逼近物理極限，且在極端環(huán)境運(yùn)行及超快充電場(chǎng)景下，鋰離子電池仍面臨充電速度慢、性能衰減快、安全隱患突出等諸多挑戰(zhàn)。

為了突破這一瓶頸，科學(xué)家將目光投向了鋰金屬電池（LMBs）。作為下一代高能量密度電池的核心候選技術(shù)，鋰金屬電池的理論能量密度可達(dá) 500 Wh/kg 以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰離子電池，一旦實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，有望讓電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程翻倍、便攜式設(shè)備充電頻率大幅降低。

但長(zhǎng)期以來(lái)，鋰金屬電池始終被快充難題牢牢困住，無(wú)法走向規(guī)模化應(yīng)用：快充時(shí)，電池內(nèi)部跨界面的電荷轉(zhuǎn)移速度無(wú)法跟上充電節(jié)奏，進(jìn)而引發(fā)兩大難題。

其一，鋰金屬負(fù)極表面會(huì)長(zhǎng)出鋰枝晶（像樹(shù)枝一樣的鋰單質(zhì)），還會(huì)產(chǎn)生 “死鋰”（沒(méi)用的鋰），不僅讓電池容量快速下降，還可能戳穿隔膜引發(fā)短路、起火，特別危險(xiǎn)；其二，慢的電荷傳輸會(huì)引發(fā)各種副反應(yīng)，讓電池的循環(huán)壽命大打折扣。

近日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)任曉迪團(tuán)隊(duì)、美國(guó) SES AI 公司許康團(tuán)隊(duì)在 Nature Energy 上發(fā)表成果，他們通過(guò)重新設(shè)計(jì)電解液里的溶劑分子，讓鋰離子周?chē)碾娮优懦烧R的通道，大幅加速了鋰金屬電池的充電速度，最終在真實(shí)工業(yè)級(jí)的大軟包電池（2Ah 容量）上實(shí)現(xiàn)了 15 分鐘充滿(mǎn)電，而且還能比較穩(wěn)定地循環(huán)。

SES AI 是全球鋰金屬電池領(lǐng)域的知名玩家，曾與通用、現(xiàn)代、豐田等車(chē)企合作。許康是鋰電池電解液領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)專(zhuān)家，尤其在高電壓/高能量密度電解液、鋰金屬負(fù)極界面調(diào)控、固體電解質(zhì)界面形成機(jī)制等方面有極高的影響力。

要解決上述問(wèn)題，必須深入電化學(xué)反應(yīng)的微觀邊界。研究人員從整個(gè)反應(yīng)的限速步驟，也就是跨界面的電荷轉(zhuǎn)移入手。

在傳統(tǒng)的電解液體系中，鋰離子并非孤獨(dú)行進(jìn)，而是被溶劑分子緊緊包裹著，形成溶劑化鞘層。傳統(tǒng)的醚類(lèi)電解液雖然對(duì)鋰金屬具有較好的穩(wěn)定性，但在超快充電下卻表現(xiàn)得十分遲鈍。這是因?yàn)樵谖⒂^電子結(jié)構(gòu)層面，傳統(tǒng)溶劑分子與鋰離子的耦合通常呈現(xiàn)出雜亂的、空間錯(cuò)位的分布。

當(dāng)電子試圖通過(guò)這些錯(cuò)位的軌道流向鋰離子時(shí)，會(huì)遇到極大的阻力，導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移效率極其低下。這種遲緩的動(dòng)力學(xué)會(huì)引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)：界面電荷堆積、不均勻的沉積形態(tài)，以及在鋰表面形成的脆弱、易碎的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）。在快充的壓力下，這些 SEI 膜會(huì)因?yàn)轶w積膨脹而破裂，進(jìn)一步加速電解液的消耗和枝晶的瘋狂生長(zhǎng)。

圖 | 鋰金屬電池中超快電荷轉(zhuǎn)移操作的挑戰(zhàn)（來(lái)源：上述論文）

此次研究的核心突破，在于團(tuán)隊(duì)跳出了微調(diào)電解液濃度、添加輔助添加劑的傳統(tǒng)研究框架，選擇從分子層面重新設(shè)計(jì)電解液的溶劑分子結(jié)構(gòu)。

他們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一種名為 MTP 的新型醚類(lèi)溶劑分子。這種分子的突破性創(chuàng)新點(diǎn)在于其獨(dú)特的六元螯合環(huán)結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的五元環(huán)結(jié)構(gòu)，MTP 分子能引導(dǎo)鋰離子與溶劑分子中的孤對(duì)電子形成一種特殊的平面配位結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)將其命名為 PAEC（平面排列電子通道），相當(dāng)于給電荷和鋰離子鋪了條“專(zhuān)屬高速路”，改變了傳統(tǒng)電解液中電荷傳輸雜亂無(wú)章的狀態(tài)。

PAEC 結(jié)構(gòu)對(duì)電荷傳輸?shù)膬?yōu)化作用，主要體現(xiàn)在兩個(gè)關(guān)鍵方面：一方面，它讓溶劑分子的電子云與鋰離子的空軌道在空間上實(shí)現(xiàn)高度重疊，讓電子能夠快速、順暢地從電極流向鋰離子，電荷轉(zhuǎn)移效率呈幾何級(jí)數(shù)提升；另一方面，電子傳遞效率的大幅提升，使得鋰離子在接觸鋰金屬負(fù)極的一瞬間，就能快速獲得電子并還原為金屬鋰，大大降低了界面處的反應(yīng)能壘（即電荷轉(zhuǎn)移需要克服的能量障礙），從根本上解決了電荷堆積的問(wèn)題。

通過(guò)多種先進(jìn)表征技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了 PAEC 結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制：這種整齊的電子通道能夠顯著抑制局部電荷過(guò)度集中，引導(dǎo)鋰離子在鋰金屬負(fù)極表面以致密、均勻的方式平鋪生長(zhǎng)，而非雜亂生長(zhǎng)形成鋰枝晶，從源頭上遏制了鋰枝晶的萌發(fā)和“死鋰”的產(chǎn)生，同時(shí)保護(hù) SEI 膜的完整性，減少副反應(yīng)的發(fā)生。

研究人員在工業(yè)級(jí) 2Ah 鋰金屬軟包電池上進(jìn)行測(cè)試，該電池采用鎳鈷錳 NMC811 正極，是手機(jī)/電動(dòng)車(chē)常用的電芯規(guī)格。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，這款搭載 PAEC 電解液的工業(yè)級(jí)軟包電池，在 4C 超高倍率下，該電池能夠在 15 分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn) 100% 充滿(mǎn)；其充電功率密度達(dá)到了 1747.6 W/kg，這一數(shù)值在目前全球已報(bào)道的鋰金屬電池研究中，處于行業(yè)天花板水平，完全滿(mǎn)足手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等設(shè)備對(duì)快充功率的實(shí)際需求。

更重要的是，該電池在快充狀態(tài)下能夠保持穩(wěn)定循環(huán)：在 2C、3C、4C 等不同快充倍率下，電池循環(huán)超過(guò) 100 次后，容量保持率仍維持在較高水平，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的衰減，解決了傳統(tǒng)鋰金屬電池快充與長(zhǎng)壽命不可兼得的痛點(diǎn)。

同時(shí)，循環(huán)測(cè)試后，研究人員通過(guò)表征發(fā)現(xiàn)，電池內(nèi)部的鋰金屬負(fù)極表面依然平整，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的鋰枝晶生長(zhǎng)和“死鋰”堆積，SEI 膜保持完整，進(jìn)一步證明了 PAEC 結(jié)構(gòu)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地保護(hù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保障電池的安全和壽命。

更有意義的是，這種 PAEC 結(jié)構(gòu)的普適性也得到了驗(yàn)證。研究顯示，該設(shè)計(jì)同樣能加速鈉離子的界面電荷轉(zhuǎn)移，并能應(yīng)用于硅基等合金負(fù)極體系，這為未來(lái)更廣泛的電化學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了通用的策略。

未來(lái)，基于這一思路，科學(xué)家有望設(shè)計(jì)出更多高性能電解液，推動(dòng)鋰金屬電池、鈉離子電池等多種新型儲(chǔ)能器件的技術(shù)升級(jí)，加速下一代高能量密度、超快充電電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

1.Ruan, D., Chen, S., Guo, J. et al. Molecularly aligned electron channels for ultrafast-charging practical lithium-metal batteries. Nat Energy (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01961-z

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍