一项突破性研究：离域化电解质设计实现600 Wh/kg级锂金属软包电池
一、 研究团队与发表信息
本研究由来自新加坡国立大学与天津大学联合学院、天津大学智能与计算学部、天津大学材料科学与工程学院、天津大学国家储能技术产教融合创新平台、国家先进化学电源重点实验室（遵义）以及西北核技术研究所的何黄、胡一涛、侯亚俊、王兴凯、董秋江、赵志新、纪明芳、张万兴、李金洋、谢建平、郭浩、韩晓鹏、欧阳晓平、胡文彬等研究人员共同完成。该研究成果以“Delocalized electrolyte design enables 600 Wh kg−1 lithium metal pouch cells”为题，于2025年8月21日发表在顶级学术期刊《Nature》第644卷上。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于下一代高能量密度储能电池领域，具体聚焦于锂金属电池（Lithium Metal Batteries, LMBs）的电解质工程。锂金属负极因其极高的理论比容量而被视为实现超越现有锂离子电池能量密度的关键。然而，其实用化面临严峻挑战，核心瓶颈之一在于传统的电解质设计。现有电解质策略，无论是溶剂主导型还是阴离子主导型的溶剂化结构，都存在固有的性能权衡：溶剂主导型结构利于锂离子快速迁移，但形成的固体电解质界面膜（Solid-Electrolyte Interphase, SEI）多为有机质，阻抗高、稳定性差；阴离子主导型结构有助于形成富含无机物的稳定SEI，但会阻碍电解液本体中的锂离子传输。这种对单一主导溶剂化结构的依赖限制了电解质性能的进一步优化，成为实现高能量密度、长循环寿命锂金属电池的主要障碍。
因此，本研究旨在提出并验证一种全新的电解质设计范式——“离域化电解质” 设计。其核心科学目标是：打破传统电解质对特定主导溶剂化结构的固有依赖，通过构建高度无序、多样化的溶剂化微环境，同时降低锂离子脱溶剂化和扩散的动态势垒，并稳定电极/电解质界面，从而为实现超高能量密度且循环稳定的锂金属电池提供解决方案。
三、 详细研究流程与方法
本研究流程系统且环环相扣，从理论设计、组分筛选、机制验证到电池性能评估，构成了一个完整的研究闭环。
流程一：数据驱动的电解质组分智能筛选 为了摆脱传统“试错法”的局限，研究团队首先建立了一个包含288种溶剂和99种锂盐的分子数据库。他们采用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算，为每种候选物质提取了三个关键的物理化学描述符：最高占据分子轨道（HOMO）、最低未占分子轨道（LUMO）以及溶剂化能（Esolvation，针对溶剂）或结合能（Ebinding，针对锂盐）。HOMO/LUMO用于评估分子的氧化/还原稳定性（即电压窗口），而Esolvation和Ebinding则直接关联于其形成溶剂主导或阴离子主导结构的能力。 随后，研究团队引入了一种人工智能驱动的K-means聚类分析方法。这是一种无监督机器学习方法，能够根据描述符的相似性，将高维数据集自动划分为不同的簇。他们将HOMO、LUMO和Esolvation作为溶剂的聚类特征，将HOMO、LUMO和Ebinding作为锂盐的聚类特征。经过5000次迭代，溶剂和锂盐分别被稳定地划分为四个簇。研究团队从中筛选出具有适中溶剂化能或结合能、同时兼具优异氧化还原稳定性的目标簇（溶剂67种，锂盐19种）。这一方法避免了选择极端值的组分，为后续构建“平衡”的离域化溶剂化结构奠定了基础。
流程二：离域化电解质设计理念与微观结构验证 基于筛选出的组分，研究团队提出了三种不同离域化程度的电解质设计策略： 1. 传统局域化电解质：单一锂盐+少数溶剂，形成“点状”溶剂化结构，由一两种主导结构控制。 2. 半离域化电解质：单一锂盐+多种溶剂，形成“线状”溶剂化结构，但仍受限于单一盐的结合能。 3. 超离域化电解质：多种锂盐+多种溶剂，形成“面状”溶剂化结构，溶剂化状态分布广泛，无明确主导结构。
为了定量描述离域化程度，他们引入了构型熵作为描述符。随后，他们配制了代表性的电解质：LE1（传统，1M LiPF6 in EC/EMC）、LE2（筛选后的传统，1M LiPF6 in FEC/FEMC）、SDE1（半离域化，1M LiPF6 in FEC/FEMC/DFEC/1FEMC/TTE）和UDE1（超离域化，包含0.2M LiPF6/LiBF4/LiDFOB/LiTFSI/LiTf五种锂盐，以及FEC/FEMC/DFEC/1FEMC/TTE五种溶剂）。
为了从微观上验证设计理念，研究团队进行了分子动力学模拟和同步辐射广角X射线散射实验。分子动力学模拟的径向分布函数分析显示，UDE1的Li-Li峰宽且弥散（3.4-8.3 Å），表明锂离子周围存在多样化的配位环境；而SDE1和LE1的峰则更窄或更不明显，说明其溶剂化结构更为局限。同步辐射散射结果进一步证实，UDE1在低q值和高q值区域的散射峰均显著宽化，反映了介观尺度离子-溶剂簇的结构多样性以及局部溶剂化壳层构型无序度的增加。拉曼光谱和核磁共振分析也一致表明UDE1具有更宽、更独特的溶剂化结构分布。这些微观表征共同证实了UDE1成功构建了高度离域化的溶剂化微环境。
流程三：从扣式电池到安时级软包电池的电化学性能评估 性能验证体系从基础扣式电池逐步升级到实用化的安时级软包电池和电池包。 * 扣式电池测试：在Li||Cu、Li||Li对称电池以及NCM811||Li、Ni90||Li等全电池中，系统评估了不同电解质的库仑效率、锂沉积形貌、循环稳定性、锂离子迁移数、交换电流密度等。结果表明，基于UDE1的电池在所有指标上均表现最优，特别是在高负载正极和贫电解液条件下。 * 安时级软包电池性能突破：这是本研究的核心成果。研究团队制备了高负载正极（>35 mg/cm²）、超薄锂负极（50 μm）和贫电解液（1.0 g/Ah）的5.5 Ah Ni90||Li软包电池。使用UDE1电解质，该电池实现了604.2 Wh/kg的超高能量密度，并在100次循环后仍保持517.7 Wh/kg。进一步采用超贫电解液设计（0.9 g/Ah）的5.2 Ah电池，能量密度更是达到了618.2 Wh/kg，并稳定循环超过90次。这些性能数据显著超越了文献报道的最高水平，标志着向“Battery600”目标迈出了关键一步。 * 安全性评估：通过针刺测试结合应变-温度分布图系统，直观展示了UDE1电池在滥用条件下的优异热稳定性。与LE1电池相比，UDE1电池在针刺后温升和形变更小，未发生热失控。差分电化学质谱分析也显示，UDE1在充电过程中产生的分解气体和晶格氧释放量显著减少。这些结果证明了离域化电解质设计在提升电池本质安全方面的价值。 * 高能电池包集成：最终，研究团队将24串2并的NCM811||Li软包单体集成为一个总能量为3.9 kWh的电池包。该电池包在70-104 V的工作电压范围内，实现了480.9 Wh/kg的包级能量密度，并稳定循环了25周。这证明了该技术从实验室级单体向实用化电池系统拓展的可行性。
流程四：电极与界面表征 为了深入理解性能提升的机理，研究团队对循环后的电极进行了细致的后分析。 * 形貌与结构分析：扫描电子显微镜显示，在UDE1中循环后的锂金属负极厚度增加和孔隙率远低于LE1，表明锂沉积/剥离更致密、可逆。透射电子显微镜和高角环形暗场扫描透射电子显微镜分析发现，在LE1中循环的NCM811正极颗粒出现了裂纹和严重的相变（层状结构向尖晶石/岩盐相转变），而在UDE1中循环的正极颗粒结构完好，仅表面形成了一层不足2 nm的薄重构层。原位X射线衍射结果也支持了这一结论。 * 界面化学分析：采用从头算分子动力学模拟揭示了不同电解质在锂负极表面的分解路径。模拟表明，LE1主要生成有机组分（~70% Li-O/Li-H），而SDE1和UDE1则主要生成富含无机物的SEI。但SDE1由于反应性溶剂化环境，产生了过量的分解产物。只有UDE1达到了最优平衡，在形成稳定SEI的同时最小化了分解。X射线光电子能谱和飞行时间二次离子质谱的深度剖析结果与模拟高度一致：UDE1形成的SEI薄而均匀，富含LiF、Li3N、LiBxOy、Li2SOx等无机成分；形成的正极电解质界面膜也薄而致密。这种稳健、低阻抗的界面是电池实现长循环稳定性的根本原因。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究取得了一系列层次递进、相互印证的结果： 1. 理论筛选与设计验证结果：通过DFT计算和AI聚类，成功筛选出具有适中结合/溶剂化能和宽电化学窗口的溶剂与盐。分子动力学和同步辐射实验证实，基于这些组分设计的超离域化电解质（UDE1）确实形成了高度无序、分布广泛的溶剂化结构，其构型熵最高，完美实现了“面状”溶剂化微环境的设计目标。 2. 基础电化学性能结果：扣式电池测试表明，UDE1具有更高的锂离子迁移数、更低的界面阻抗和更快的锂离子脱溶剂化动力学。这直接归因于其离域化结构平衡了离子传输和界面稳定的矛盾。 3. 终极性能突破结果：安时级软包电池实现了超过600 Wh/kg的能量密度和超过100次的稳定循环，这是迄今为止公开报道的最高水平之一。这一结果直接证明了离域化电解质设计在实际应用场景下的巨大潜力。 4. 安全性与系统性结果：针刺测试和DEMS结果证明了UDE1体系的高安全性。3.9 kWh电池包达到480.9 Wh/kg的能量密度，则证明了该技术路线的可扩展性和工程化前景。 5. 机理揭示结果：后分析表征和AIMD模拟从微观尺度揭示了性能提升的根源：离域化溶剂化结构促进了薄、均匀、富含无机物的稳定SEI/CEI形成，同时抑制了电极结构退化（锂枝晶、正极相变）和电解液持续分解。
这些结果之间存在清晰的逻辑链条：智能筛选确保了组分合理性 -> 离域化设计创造了理想的溶剂化微环境 -> 优化的微环境带来了优异的界面化学和动力学 -> 稳定的界面和快速的动力学最终导致了超高能量密度、长循环寿命和高安全性的电池性能。
五、 研究结论与价值
本研究成功提出并验证了一种名为“离域化电解质设计”的全新电解质工程范式。其核心结论是：通过整合多种溶剂和锂盐，刻意构建一个没有单一主导结构的、高度无序的溶剂化微环境，可以打破传统电解质设计中溶剂主导与阴离子主导结构之间的固有性能权衡。这种离域化策略能有效降低动态势垒、稳定电极界面，从而为实现能量密度超过600 Wh/kg的锂金属电池开辟了切实可行的道路。
该研究的价值体现在： * 科学价值：颠覆了传统电解质优化中追求“单一最优溶剂化结构”的思维定式，提出了“构型熵”和“离域化”作为新的电解质设计维度，为理解与调控复杂电解质体系提供了全新的理论框架。 * 技术价值：首次在安时级软包电池中同时实现了>600 Wh/kg的能量密度和>100圈的循环稳定性，并成功集成了高能量密度的电池包，将锂金属电池从实验室概念向实际应用推进了一大步。 * 方法论价值：展示了“人工智能（数据筛选与聚类）+ 理论计算（DFT与分子动力学）+ 先进表征（同步辐射、TOF-SIMS等）+ 多尺度性能验证（从扣电到电池包）”这一现代化研究范式的强大威力。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
本研究还展示了离域化电解质设计原则的普适性潜力。文章在结论中指出，这一设计原则不仅适用于锂金属电池，也为其他高能可充电电池（如钠金属电池、钾金属电池等）的电解质工程提供了变革性的框架。此外，研究中开发的数据驱动组分筛选平台，可以推广应用于其他功能材料的设计与发现，具有更广泛的方法学意义。