中国科学技术大学，Nature Energy！

研究背景

界面电荷转移是电化学系统的速控步。在锂金属电池（LMBs）中，缓慢的动力学在超快充（UFC）条件下会引发严重的侧反应和枝晶生长。虽然电解液工程在低倍率下取得了进展，但在极低电解液用量和超快充等严苛实用条件下，如何加速界面电荷转移并保持循环稳定性仍是巨大挑战。

关键问题

目前，锂金属电池界面电荷转移主要存在以下问题：

1、超快充下的界面动力学瓶颈

在4C等极高倍率下，锂沉积动力学极差，新鲜形成的SEI易被体积膨胀破坏，导致电解液迅速耗尽和电池失效。

2、溶剂电子结构与电荷转移关系不明

现有研究多关注离子配位能或离子对，忽略了溶剂分子的空间电子结构如何直接决定界面电子转移过程。

新思路

有鉴于此，中国科学技术大学任晓迪、焦淑红、麻省固能许康等人报告了一种通过将溶剂分子结构重新设计为孤对电子（LPEs）与碱金属阳离子（Li⁺或Na⁺）独特的平面配位来加速界面电荷转移的方法。这种平面排列电子通道（PAEC）极大地加强了LPEs与Li⁺之间的耦合，促进了Li⁺/Li⁰氧化还原反应动力学和可逆性。设计的电解液使工业级2 Ah Li||NMC811软包电池能在4C极高倍率下稳定循环，在1,747.6 W kg⁻¹的充电功率密度下，15分钟内实现100%满充。作者建立了溶剂化电子结构与电荷转移动力学之间的联系，突出了极端电化学条件下电解液设计的潜在策略。

技术方案：

1、设计了新型醚类溶MTP

新型醚类溶剂MTP通过六元螯合环设计，优化电子通道，增强电子转移效率，抑制了溶剂化电子副反应。

2、研究了界面电荷转移动力学

MTP电解液具有高离子电导率、低扩散能垒，优化锂沉积行为，抑制枝晶生长，增强与高镍正极兼容性。

3、展示了实用化软包电池的超快充性能

MTP电解液助力400 Wh kg⁻¹级2 Ah Li||NMC811软包电池实现了4C超快充，长循环稳定，充电功率密度创纪录，展现巨大应用潜力。

技术优势：

1、创新性提出PAEC构型

研究通过分子结构设计（如MTP溶剂），构建了LPE轨道与Li⁺轨道高效重叠的平面电子通道，显著降低了界面电荷转移能垒。

2、实现了锂电池超快充纪录

本研究在实用化400 Wh kg⁻¹级软包电池中实现了15分钟极速满充，且能稳定循环百次以上，充电功率密度达到前所未有的水平。

技术细节

溶剂结构重塑与PAEC构型设计

研究团队通过在相邻氧原子间增加一个碳原子，设计了新型醚类溶剂1-甲氧基-3-(3-甲氧基丙氧基)丙烷（MTP）。传统的醚类溶剂（如G2、G3）形成的是五元螯合环，其孤对电子（LPE）轨道在空间上是错开的，这会限制电子向Li⁺的转移效率。相比之下，MTP形成的六元螯合环确保了LPE轨道与Li⁺空轨道的共平面对齐，构建了平面排列电子通道（PAEC）。通过密度泛函理论（DFT）计算和单晶衍射分析，研究证实了MTP-Li⁺配合物中极高的轨道重叠积分（OII）和离域指数（ODI）。这种PAEC结构打破了传统溶剂中“强配位必然抑制电子转移”的权衡关系，实现了在强Li⁺-LPE耦合的同时，显著增强还原电子向Li⁺的输送。实验显示，即使在碱金属溶解模拟中，MTP也能比传统醚类更有效地限制溶剂化电子的侧反应，证明了其独特的电子结构优势。

图  UFCLMBs和不常见的PAEC溶剂化构象

界面电荷转移动力学与沉积形貌控制

在电解液层面，MTP基电解液展现出比传统G2电解液更高的离子电导率（6.4 vs 3.1 mS cm^-1）和更低的离子扩散能垒。利用超微电极（UME）进行的瞬态循环伏安测试表明，MTP电解液的界面交换电流密度（j₀）高达267.11 mA cm^-2，远超G2和G3。约束密度泛函理论（CDFT）模拟进一步揭示，PAEC结构降低了溶剂化层重组能垒，使Li⁺能更紧密地接近锂金属表面进行放电。这种动力学优势直接转化为优异的锂沉积行为。在10 mA cm^-2的高电流密度下，MTP电解液表现出极低的成核过电位，并形成了致密、均匀的块状锂沉积，有效抑制了枝晶生长。即使在长期循环后产生残余SEI（r-SEI）的情况下，MTP仍能确保锂在r-SEI下方均匀沉积，而传统电解液则会导致严重的枝晶穿透和电解液枯竭。此外，MTP的高配位强度还抑制了高压下自由溶剂的氧化，增强了与高镍正极（NMC811）的兼容性.

图  通过平面排列的电子通道的电荷转移机制

图  PAEC溶剂化超快界面动力学和促进Li沉积

实用化软包电池的超快充表现

研究人员构建了能量密度达400 Wh k^-1级的实用化2 Ah Li||NMC811软包电池，并在极端严苛的条件下（超薄锂箔、极低电解液用量E/C = 0.8 g Ah^-1）进行了测试。MTP电解液助力软包电池实现了4C超快充，即在15分钟内完成100%充电，且充电过程中电压曲线平稳，未出现剧烈极化或短路信号。相比之下，使用传统G2电解液的电池在1C充电时就因软短路而失效。在长循环测试中，该软包电池在2C、3C甚至4C的超高充放电倍率下均能稳定循环超过100圈，且保持约1.7 Ah的高可逆容量。其充电功率密度达到1,747.6 W kg^-1，是目前报道的锂金属软包电池中的最高水平，真正实现了与传统锂离子电池相媲美的极速充电能力。这一结果证明了PAEC设计策略在推动高能量密度锂金属电池走向实际应用方面的巨大潜力.

图  实用锂||NMC811软包电池的电化学性能

展望

本研究通过重新设计溶剂分子结构，构建了独特的平面排列电子通道（PAEC），解决了锂金属电池在超快充条件下的界面电荷转移瓶颈。MTP基电解液不仅显著提升了界面动力学和循环寿命，更在实用化大容量软包电池中实现了15分钟极速充电。该策略不仅适用于锂电池，还可扩展至钠金属或硅基负极等多种体系，为极端条件下的电解液分子工程提供了全新的理论指导和设计范式。

参考文献：

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

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