他，师从诺奖得主！华中科技大学，今日重磅Nature！

2025-07-17

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锂金属负极与高镍正极的组合，被视为突破500 Wh kg⁻¹能量密度门槛的有力方案。

然而，接近如此高的能量密度，亟需电解液能够同时稳定负极与正极的界面，以确保电池的安全性与长期循环性能。

尽管基于阴离子的无机界面层在锂负极端已取得显著进展，如何实现对两极同时保护的内在策略仍是关键难题。

在此，来自浙江大学的陆俊、华中科技大学的袁利霞&黄云辉等研究者提出了一种微乳液策略用于电解液设计，绕过了传统的锂离子溶剂化调控思路，实现在正负极构建富氟界面层（fluoride-rich interphases）。相关论文以题为“Liquid–liquid interfacial tension stabilized Li-metal batteries”于2025年07月16日发表在Nature上。

锂金属负极与高度脱锂正极之间的界面不稳定性，仍是高电压锂金属电池（LMBs）从理论走向实际应用的主要瓶颈。

当前LMB电解液设计大多聚焦于调控Li⁺–阴离子溶剂化结构，以在锂负极构建基于阴离子的固态电解质界面层（SEI），该策略已被广泛验证可提升锂负极的稳定性。

然而，该方法在调控正极界面（CEI）方面效果有限。

由于电池工作时存在单向电场与Li⁺浓度梯度，Li⁺–阴离子相互作用在CEI形成过程中的作用与SEI显著不同（见图1a）。

图1 安培小时级Li||NCM811袋状电池的微乳液电解质工程策略及电化学性能。

目前尚缺乏可同时稳定两极界面的统一调控机制，因此迫切需要一种不依赖于Li⁺配位结构的替代策略。

本文中，研究者发现液–液界面张力（γ_L–L）可作为驱动界面调控的有效手段，成功脱耦界面构筑与Li⁺/阴离子迁移之间的关联。

具体而言，研究者引入微乳液理论设计了碳酸酯基电解液，其内部由粒径约为50–120 nm的超细不溶性液滴分散于连续碳酸酯溶剂相中，形成高γ_L–L体系。

在电池组装过程中，γ_L–L可自发驱动液滴迁移至正负极界面，以降低系统界面能，从而无需依赖电场驱动的溶剂化Li⁺迁移过程，实现对SEI与CEI的同时构筑与调控。

基于该策略构建的Li||NCM811（LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂）电池，在4.5 V截止电压下循环850次后容量保持率达84.6%，在4.7 V下循环400次后保持率仍达94.4%，展现出极高的高压稳定性。

此外，研究者成功构建了两款安时级软包电池：一款7.2 Ah电池在189次循环后仍保持81%的容量，能量密度达531 Wh kg⁻¹；另一款7.5 Ah电池在155次循环后保持79%的容量，能量密度达547 Wh kg⁻¹。

本工作中引入的γ_L–L机制不仅拓宽了电解液组分的选择维度，也为锂金属电池及更广泛储能系统中的电解液设计提供了全新视角。

图2 电解质和电极-电解质界面的结构表征。

图3 微乳液电解质对电池电化学性能的影响。

图4 电极-电解质间相表征。

图5 微乳液电解质设计工程。

综上所述，本研究提出并验证了一种关键驱动力——液–液界面张力（γ_L–L），实现了界面构建过程与溶剂化离子迁移的有效脱耦，不仅可同时保护高度脱锂正极与高反应性锂金属负极，还在电解液动力学与稳定性之间实现了良好平衡。

基于γ_L–L的设计理念，研究者构建了一种微乳液型电解液系统，由粒径为50–120 nm的超细不溶性液滴分散于连续碳酸酯电解液中组成。

通过溶解度筛选，选用两种氟代溶剂 IM-F 与 AM-F，制备出具有不可混溶的核–壳结构 IM-F@AM-F 胶束。这些胶束与碳酸酯电解液之间存在丰富的γ_L–L，促使其自发富集于全电池的正极与负极表面。

这一迁移过程超越了电场方向与Li⁺浓度梯度的影响，表现出自驱动、非电场依赖的界面调控机制。

IM-F@AM-F胶束的富集行为还可作为氟化锂（LiF）生成源，在长循环过程中持续构建并维持富LiF的SEI与CEI层，从而实现对电极界面的渐进式保护。

在实际应用中，使用该微乳液电解液的Li||NCM811 纽扣电池在4.5 V充电条件下循环850次后容量保持率达84.6%，在4.7 V条件下循环400次后保持率达94.4%。

更重要的是，该电解液系统成功支持了安时级软包电池的稳定运行，其中7.2 Ah 与 7.5 Ah 电池分别实现531 Wh kg⁻¹与 547 Wh kg⁻¹的高能量密度，在189次与155次循环后仍保持81%与79%的容量。

该微乳液电解液策略，不仅为高能量密度锂金属电池（LMBs）提供了有效解决方案，也具有向其他可充电电池体系推广的广泛应用潜力。

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

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09293-4

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