如果提高锂金属的高活性和其表面 SEI 的锂离子扩散

研究团队提出了一种全新的“离域电解液”设计理念，其核心思路是通过引入多样化的电解液微环境，增加溶剂化环境的无序性，优化整体电解液性能。

“离域电解液主要由多种锂盐和溶剂组成。要想突破传统电解液系统的局限，就得实现在溶剂化结构分布上点、线、面的跨越，使锂离子在多个局部环境中协调，提高锂离子的扩散性，从而提升电池整体性能。”韩晓鹏说。

为实现这一目标，研究人员借助人工智能，对近300种溶剂和100种锂盐的分子结构进行了计算和评估，并根据评估结果对溶剂和锂盐进行分类。通过分析，他们选取了表现最佳的类别，并将其用于离域电解液的设计。

为验证离域电解液设计的有效性，研究团队用这种电解液组装了多款高能锂金属电池。在一系列测试中，电池成功实现了超过600瓦时/公斤的能量密度。这是目前世界范围内能量密度最高的锂金属软包电池，且经过100次循环后，电池的能量密度仍未出现明显衰减。

“这足以证明离域电解液显著提升了电池性能，特别是能量密度和循环稳定性方面的优越性。”韩晓鹏说。

在安全性方面，研究人员进行了一系列的热失控和机械冲击测试。结果表明，采用离域电解液的电池在热和机械稳定性方面表现出更高的性能，且气体释放显著少于现有的锂金属电池，显示出更好的安全性。

用电池为产业发展“松绑”

为进一步验证离域电解液在大规模应用方面的潜力，研究团队组装了一台3.9千瓦时的锂金属电池组。该电池组的能量密度达到了480.9瓦时/公斤，并在25次循环后保持稳定性能。

受访时，胡文彬表示，一旦这种大规模应用成为现实，将在很多方面为相关产业的发展“松绑”。

“目前，电池能量密度过低、续航力差的问题束缚着很多产业的发展。”胡文彬以手机为例解释说，对于消费者而言，电池能量密度低导致很多手机一天就得充一次电，否则难以保证正常使用。但如果能将手机电池的能量密度提升，“一周两充”将不再是奢望。

这还不是最重要的，因为电池能量密度直接制约了手机屏幕的扩大及相关程序的安装量，毕竟过大的屏幕及过多的程序会消耗更多电量。“如果手机电池的电量可以提升两到三倍，手机的未来发展将会获得比现在大得多的空间。”胡文彬说。

此外，伴随着我国低空经济产业的发展，无人飞行器的电量问题也越来越凸显。“电量直接制约无人机的飞行里程，甚至引发‘里程焦虑’。”他说，类似情况也会出现在深海乃至太空的探索过程中，而消除这些“焦虑”的最主要途径，就是在保持电池体积大体不变的前提下，大幅提升其能量密度。

这不仅让实验室产品达到国际最高水平，还为大规模应用铺平了道路。毕竟，在电池领域，能量密度提升2倍以上直接意味着相同体积下存储更多电力，这解决了电动工具和便携设备的长久痛点。

其次，这项技术的影响正迅速扩展到多个行业，带来深远变革。

锂金属电池的高能量密度优势，正好迎合了电动交通、低空经济、消费电子和人形机器人等新兴领域的迫切需求。举个真实案例：天大团队已建成中试生产线，并将新型电池应用于三款微型全电无人飞行器，实测续航时间提高了惊人的2.8倍。这意味着在无人机行业中，农业测绘或紧急救援任务能持续更久，效率倍增。

扩展到电动汽车，一旦技术商业化，续航里程有望从目前的400-600公里跃升至1000公里以上，缓解全球车主的“续航焦虑”。想想看，如果你开着新一代电动车从哈尔滨到北京，中途不需停车充电——那将对消费行为产生革命性影响。

同时，在人形机器人领域，轻量化高能电池能让设备运行更持久，推动智能服务的普及。这些应用不只提升性能，还将带动产业链升级，如原材料供应和制造工艺。天大团队掌握全链条核心技术，材料到电池自主可控，避免了对外依赖，这对中国科技产业是重大利好。据预计，下半年全面投产后，规模化生产将进一步降低成本，让更多企业和消费者受益。

展望未来，这项突破将重塑全球电池行业格局，加速可持续能源的落地。

锂金属电池被视为下一代储能技术的制高点，天大团队的领先地位为中国争取话语权，可能引领国际标准。短期内，依托国家储能平台和重点实验室，产业化进程正在提速：中试线已验证产品可行性，下半年批量投产后，预计会快速应用于电动汽车和储能系统。长期看，这为低碳经济注入动力——高能电池减少充电次数，间接降低电力消耗和碳排放。比如在低空经济中，长续航无人机可优化物流和监测，助力绿色城市发展。

更重要的是，这次突破显示了科研转化的高效率，天大成果从实验室到试飞验证仅数年，为其他领域树立标杆。然而，挑战依然存在，如确保大规模应用时的稳定性，但这已在团队安全测试中得到优化。整体来看，电池技术进化正带动产业迭代，中国在全球的角色从跟随者变为领跑者。

总之，这场锂金属电池的革命，不仅是天津大学团队的智慧结晶，更是中国科技实力的象征。它解开了能源存储的瓶颈，让生活更便捷、产业更高效、未来更可持续。随着今年下半年的正式投产，我们或许很快就能见证电动车飞驰千里、无人机翱翔天际的全新时代。这不仅是能源领域的胜利，更是人类追求高效生活的必经之路。

锂金属的高活性和其表面 SEI 的锂离子扩散能垒较高会促进锂枝晶的形成。锂金属的不均 匀沉积和枝晶生长会引发以下主要问题： 1)锂的无限体积膨胀：锂金属不同于石墨，硅等嵌入型或合金类负极，它是一种无基体转化型负极，石墨和硅的体积膨胀分别是 10%和 400%，而锂负极的体积膨胀是无限的，导致 沉积锂的形貌结构呈现多孔疏松的状态。 2)死锂的产生：锂的无限体积膨胀和枝晶均会造成锂表面结构多孔疏松，经过多次充放电 循环后，表面不稳定的锂会逐渐粉化并脱落下来从而失去电活性，从而产生大量死锂。 3)SEI 破裂和副反应增加：锂枝晶的生长和死锂的产生会导致锂表面 SEI 破裂和重构，不 断的重构 SEI 需要消耗额外的电解液，造成副反应增加。 4)极化电压增大：锂枝晶和死锂导致锂金属表面多孔疏松，SEI 的比表面积和厚度均会随 之增大，从而使 Li+的扩散路径增加，并且死锂会导致表面阻抗增加，这些因素都会造成 锂金属电池在多次循环 后的极化电压显著增加。 5)电池短路：锂枝晶的不断生长会造成其对隔膜的应力增加，最终会刺穿隔膜导致电池短 路，从而引发电池热失控等安全问题。

人工 SEI 膜、改性集流体、引入固态电解质是主要的改善锂枝晶的手段。改善锂负极的循 环性能和安全性能策略主要包括：1)利用表界面调控策略，构建人工固态电解质界面(SEI) 膜，引导锂的均匀沉积，缓解锂枝晶的危害;2)通过改性集流体或锂基底结构，构建复 合锂金属电极，从而促进锂的均匀沉积;3)制备固态电解质或者准固态电解质，利用其 力学性能抑制锂枝晶的生长及可能引发的短路问题等。

1) 构造人工 SEI 膜。 SEI 膜反复破碎坍塌会造成电池失效。在锂电池的充放电循环中，负极表面会被覆盖一层 钝化层，称为 SEI 膜，而稳定的 SEI 膜影响着电池的安全性、高低温性能、倍率性能、循 环寿命、容量保持率和锂沉积的形态。一般情况下，SEI 膜并不完全致密，且力学性能较 差，在锂金属反复沉积和溶出过程中，SEI 膜很易破碎或坍塌，导致新鲜的锂金属与电解 液继续反应，形成新的 SEI 膜。这个过程被称为 SEI 膜的动态重构。如果 SEI 膜的破碎和 坍塌过于频繁或失效，会导致锂电池容量衰减、安全性降低甚至失效，因此构筑稳定且离 子扩散性能优良的 SEI 膜对提高锂电池的循环性能具有重要意义。 人工 SEI 膜为长期趋势。对 SEI 膜的性能调控主要有两种途径实现：①通过调节电解质添 加剂的成分来调控形成的 SEI 膜的组分和结构;②构建人工 SEI 膜实现对锂金属的保护， 进一步提升锂负极的稳定性和倍率性能等。前者的选择范围十分有限，因此人工 SEI 膜成 为长期趋势。 良好的人工 SEI 膜应具有以下特点：①优异的离子导电性，保证 Li+快速通过;②较高的 机械强度，保证在界面循环过程中不破裂;③一定的弹性，缓解局部应力;④在电解液中 具有高化学稳定性。 未来技术难点在于：①均匀性：确保人工构建的 SEI 膜在整个锂金属表面形成均匀、一致 的覆盖，避免不均匀覆盖引发的问题，如局部电压失衡和锂枝晶形成;②多功能性：设计 具有多功能性的人工 SEI 膜，既能防止电极与电解液之间的不良反应，又能促进锂离子传 导和抑制锂枝晶生长，还能阻燃隔热提高电池的安全性。 通常来讲，由无机组分组成的薄膜对锂金属表现出优异的化学稳定性，但存在不连续和不 均匀的缺陷;有机成分 SEI 膜多为聚合物等，聚合物相分布均匀，使 Li+导电通道分布均 匀，但其弹性模量低、机械强度较差。人工 SEI 膜的制备可通过不同的制膜工艺实现，包 括硬模板法、溅射法、化学气相沉积法、旋涂法、滴涂法等。

2) 构建锂复合结构。 通过合理的结构设计能够均匀化电流密度，促进锂均匀沉积从而缓解循环过程中产生锂枝 晶的危害，主要方法包括：①复合锂多维结构修饰;②元素掺杂;③制备富锂合金负极。

——复合锂多维结构修饰：在复合锂负极的结构优化中，将电极结构中集流体设计成三维 结构或者特殊的多维结构，可以缓解锂金属体积变化过大导致稳定性差的问题。传统锂金 属负极是平面或者其他二维结构，在多次锂沉积和剥离过程中体积会有巨大变化，使锂金 属负极的结构发生明显变化。三维结构或者特殊的负极结构设计能很好解决这一问题。