研究團隊提出了一種全新的“離域電解液”設(shè)計理念，其核心思路是通過引入多樣化的電解液微環(huán)境，增加溶劑化環(huán)境的無序性，優(yōu)化整體電解液性能。

“離域電解液主要由多種鋰鹽和溶劑組成。要想突破傳統(tǒng)電解液系統(tǒng)的局限，就得實現(xiàn)在溶劑化結(jié)構(gòu)分布上點、線、面的跨越，使鋰離子在多個局部環(huán)境中協(xié)調(diào)，提高鋰離子的擴散性，從而提升電池整體性能?！表n曉鵬說。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員借助人工智能，對近300種溶劑和100種鋰鹽的分子結(jié)構(gòu)進行了計算和評估，并根據(jù)評估結(jié)果對溶劑和鋰鹽進行分類。通過分析，他們選取了表現(xiàn)最佳的類別，并將其用于離域電解液的設(shè)計。

為驗證離域電解液設(shè)計的有效性，研究團隊用這種電解液組裝了多款高能鋰金屬電池。在一系列測試中，電池成功實現(xiàn)了超過600瓦時/公斤的能量密度。這是目前世界范圍內(nèi)能量密度最高的鋰金屬軟包電池，且經(jīng)過100次循環(huán)后，電池的能量密度仍未出現(xiàn)明顯衰減。

“這足以證明離域電解液顯著提升了電池性能，特別是能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性。”韓曉鵬說。

在安全性方面，研究人員進行了一系列的熱失控和機械沖擊測試。結(jié)果表明，采用離域電解液的電池在熱和機械穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出更高的性能，且氣體釋放顯著少于現(xiàn)有的鋰金屬電池，顯示出更好的安全性。

用電池為產(chǎn)業(yè)發(fā)展“松綁”

為進一步驗證離域電解液在大規(guī)模應(yīng)用方面的潛力，研究團隊組裝了一臺3.9千瓦時的鋰金屬電池組。該電池組的能量密度達(dá)到了480.9瓦時/公斤，并在25次循環(huán)后保持穩(wěn)定性能。

受訪時，胡文彬表示，一旦這種大規(guī)模應(yīng)用成為現(xiàn)實，將在很多方面為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展“松綁”。

“目前，電池能量密度過低、續(xù)航力差的問題束縛著很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！焙谋蛞允謾C為例解釋說，對于消費者而言，電池能量密度低導(dǎo)致很多手機一天就得充一次電，否則難以保證正常使用。但如果能將手機電池的能量密度提升，“一周兩充”將不再是奢望。

這還不是最重要的，因為電池能量密度直接制約了手機屏幕的擴大及相關(guān)程序的安裝量，畢竟過大的屏幕及過多的程序會消耗更多電量?！叭绻謾C電池的電量可以提升兩到三倍，手機的未來發(fā)展將會獲得比現(xiàn)在大得多的空間?！焙谋蛘f。

此外，伴隨著我國低空經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無人飛行器的電量問題也越來越凸顯?！半娏恐苯又萍s無人機的飛行里程，甚至引發(fā)‘里程焦慮’?！彼f，類似情況也會出現(xiàn)在深海乃至太空的探索過程中，而消除這些“焦慮”的最主要途徑，就是在保持電池體積大體不變的前提下，大幅提升其能量密度。

這不僅讓實驗室產(chǎn)品達(dá)到國際最高水平，還為大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。畢竟，在電池領(lǐng)域，能量密度提升2倍以上直接意味著相同體積下存儲更多電力，這解決了電動工具和便攜設(shè)備的長久痛點。

其次，這項技術(shù)的影響正迅速擴展到多個行業(yè)，帶來深遠(yuǎn)變革。

鋰金屬電池的高能量密度優(yōu)勢，正好迎合了電動交通、低空經(jīng)濟、消費電子和人形機器人等新興領(lǐng)域的迫切需求。舉個真實案例：天大團隊已建成中試生產(chǎn)線，并將新型電池應(yīng)用于三款微型全電無人飛行器，實測續(xù)航時間提高了驚人的2.8倍。這意味著在無人機行業(yè)中，農(nóng)業(yè)測繪或緊急救援任務(wù)能持續(xù)更久，效率倍增。

擴展到電動汽車，一旦技術(shù)商業(yè)化，續(xù)航里程有望從目前的400-600公里躍升至1000公里以上，緩解全球車主的“續(xù)航焦慮”。想想看，如果你開著新一代電動車從哈爾濱到北京，中途不需停車充電——那將對消費行為產(chǎn)生革命性影響。

同時，在人形機器人領(lǐng)域，輕量化高能電池能讓設(shè)備運行更持久，推動智能服務(wù)的普及。這些應(yīng)用不只提升性能，還將帶動產(chǎn)業(yè)鏈升級，如原材料供應(yīng)和制造工藝。天大團隊掌握全鏈條核心技術(shù)，材料到電池自主可控，避免了對外依賴，這對中國科技產(chǎn)業(yè)是重大利好。據(jù)預(yù)計，下半年全面投產(chǎn)后，規(guī)?；a(chǎn)將進一步降低成本，讓更多企業(yè)和消費者受益。

展望未來，這項突破將重塑全球電池行業(yè)格局，加速可持續(xù)能源的落地。

鋰金屬電池被視為下一代儲能技術(shù)的制高點，天大團隊的領(lǐng)先地位為中國爭取話語權(quán)，可能引領(lǐng)國際標(biāo)準(zhǔn)。短期內(nèi)，依托國家儲能平臺和重點實驗室，產(chǎn)業(yè)化進程正在提速：中試線已驗證產(chǎn)品可行性，下半年批量投產(chǎn)后，預(yù)計會快速應(yīng)用于電動汽車和儲能系統(tǒng)。長期看，這為低碳經(jīng)濟注入動力——高能電池減少充電次數(shù)，間接降低電力消耗和碳排放。比如在低空經(jīng)濟中，長續(xù)航無人機可優(yōu)化物流和監(jiān)測，助力綠色城市發(fā)展。

更重要的是，這次突破顯示了科研轉(zhuǎn)化的高效率，天大成果從實驗室到試飛驗證僅數(shù)年，為其他領(lǐng)域樹立標(biāo)桿。然而，挑戰(zhàn)依然存在，如確保大規(guī)模應(yīng)用時的穩(wěn)定性，但這已在團隊安全測試中得到優(yōu)化。整體來看，電池技術(shù)進化正帶動產(chǎn)業(yè)迭代，中國在全球的角色從跟隨者變?yōu)轭I(lǐng)跑者。

總之，這場鋰金屬電池的革命，不僅是天津大學(xué)團隊的智慧結(jié)晶，更是中國科技實力的象征。它解開了能源存儲的瓶頸，讓生活更便捷、產(chǎn)業(yè)更高效、未來更可持續(xù)。隨著今年下半年的正式投產(chǎn)，我們或許很快就能見證電動車飛馳千里、無人機翱翔天際的全新時代。這不僅是能源領(lǐng)域的勝利，更是人類追求高效生活的必經(jīng)之路。

鋰金屬的高活性和其表面 SEI 的鋰離子擴散能壘較高會促進鋰枝晶的形成。鋰金屬的不均 勻沉積和枝晶生長會引發(fā)以下主要問題： 1)鋰的無限體積膨脹：鋰金屬不同于石墨，硅等嵌入型或合金類負(fù)極，它是一種無基體轉(zhuǎn)化型負(fù)極，石墨和硅的體積膨脹分別是 10%和 400%，而鋰負(fù)極的體積膨脹是無限的，導(dǎo)致 沉積鋰的形貌結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多孔疏松的狀態(tài)。 2)死鋰的產(chǎn)生：鋰的無限體積膨脹和枝晶均會造成鋰表面結(jié)構(gòu)多孔疏松，經(jīng)過多次充放電 循環(huán)后，表面不穩(wěn)定的鋰會逐漸粉化并脫落下來從而失去電活性，從而產(chǎn)生大量死鋰。 3)SEI 破裂和副反應(yīng)增加：鋰枝晶的生長和死鋰的產(chǎn)生會導(dǎo)致鋰表面 SEI 破裂和重構(gòu)，不 斷的重構(gòu) SEI 需要消耗額外的電解液，造成副反應(yīng)增加。 4)極化電壓增大：鋰枝晶和死鋰導(dǎo)致鋰金屬表面多孔疏松，SEI 的比表面積和厚度均會隨 之增大，從而使 Li+的擴散路徑增加，并且死鋰會導(dǎo)致表面阻抗增加，這些因素都會造成 鋰金屬電池在多次循環(huán) 后的極化電壓顯著增加。 5)電池短路：鋰枝晶的不斷生長會造成其對隔膜的應(yīng)力增加，最終會刺穿隔膜導(dǎo)致電池短 路，從而引發(fā)電池?zé)崾Э氐劝踩珕栴}。

人工 SEI 膜、改性集流體、引入固態(tài)電解質(zhì)是主要的改善鋰枝晶的手段。改善鋰負(fù)極的循 環(huán)性能和安全性能策略主要包括：1)利用表界面調(diào)控策略，構(gòu)建人工固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI) 膜，引導(dǎo)鋰的均勻沉積，緩解鋰枝晶的危害;2)通過改性集流體或鋰基底結(jié)構(gòu)，構(gòu)建復(fù) 合鋰金屬電極，從而促進鋰的均勻沉積;3)制備固態(tài)電解質(zhì)或者準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，利用其 力學(xué)性能抑制鋰枝晶的生長及可能引發(fā)的短路問題等。

1) 構(gòu)造人工 SEI 膜。 SEI 膜反復(fù)破碎坍塌會造成電池失效。在鋰電池的充放電循環(huán)中，負(fù)極表面會被覆蓋一層 鈍化層，稱為 SEI 膜，而穩(wěn)定的 SEI 膜影響著電池的安全性、高低溫性能、倍率性能、循 環(huán)壽命、容量保持率和鋰沉積的形態(tài)。一般情況下，SEI 膜并不完全致密，且力學(xué)性能較 差，在鋰金屬反復(fù)沉積和溶出過程中，SEI 膜很易破碎或坍塌，導(dǎo)致新鮮的鋰金屬與電解 液繼續(xù)反應(yīng)，形成新的 SEI 膜。這個過程被稱為 SEI 膜的動態(tài)重構(gòu)。如果 SEI 膜的破碎和 坍塌過于頻繁或失效，會導(dǎo)致鋰電池容量衰減、安全性降低甚至失效，因此構(gòu)筑穩(wěn)定且離 子擴散性能優(yōu)良的 SEI 膜對提高鋰電池的循環(huán)性能具有重要意義。 人工 SEI 膜為長期趨勢。對 SEI 膜的性能調(diào)控主要有兩種途徑實現(xiàn)：①通過調(diào)節(jié)電解質(zhì)添 加劑的成分來調(diào)控形成的 SEI 膜的組分和結(jié)構(gòu);②構(gòu)建人工 SEI 膜實現(xiàn)對鋰金屬的保護， 進一步提升鋰負(fù)極的穩(wěn)定性和倍率性能等。前者的選擇范圍十分有限，因此人工 SEI 膜成 為長期趨勢。 良好的人工 SEI 膜應(yīng)具有以下特點：①優(yōu)異的離子導(dǎo)電性，保證 Li+快速通過;②較高的 機械強度，保證在界面循環(huán)過程中不破裂;③一定的彈性，緩解局部應(yīng)力;④在電解液中 具有高化學(xué)穩(wěn)定性。 未來技術(shù)難點在于：①均勻性：確保人工構(gòu)建的 SEI 膜在整個鋰金屬表面形成均勻、一致 的覆蓋，避免不均勻覆蓋引發(fā)的問題，如局部電壓失衡和鋰枝晶形成;②多功能性：設(shè)計 具有多功能性的人工 SEI 膜，既能防止電極與電解液之間的不良反應(yīng)，又能促進鋰離子傳 導(dǎo)和抑制鋰枝晶生長，還能阻燃隔熱提高電池的安全性。 通常來講，由無機組分組成的薄膜對鋰金屬表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，但存在不連續(xù)和不 均勻的缺陷;有機成分 SEI 膜多為聚合物等，聚合物相分布均勻，使 Li+導(dǎo)電通道分布均 勻，但其彈性模量低、機械強度較差。人工 SEI 膜的制備可通過不同的制膜工藝實現(xiàn)，包 括硬模板法、濺射法、化學(xué)氣相沉積法、旋涂法、滴涂法等。

2) 構(gòu)建鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)。 通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠均勻化電流密度，促進鋰均勻沉積從而緩解循環(huán)過程中產(chǎn)生鋰枝 晶的危害，主要方法包括：①復(fù)合鋰多維結(jié)構(gòu)修飾;②元素?fù)诫s;③制備富鋰合金負(fù)極。

——復(fù)合鋰多維結(jié)構(gòu)修飾：在復(fù)合鋰負(fù)極的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，將電極結(jié)構(gòu)中集流體設(shè)計成三維 結(jié)構(gòu)或者特殊的多維結(jié)構(gòu)，可以緩解鋰金屬體積變化過大導(dǎo)致穩(wěn)定性差的問題。傳統(tǒng)鋰金 屬負(fù)極是平面或者其他二維結(jié)構(gòu)，在多次鋰沉積和剝離過程中體積會有巨大變化，使鋰金 屬負(fù)極的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。三維結(jié)構(gòu)或者特殊的負(fù)極結(jié)構(gòu)設(shè)計能很好解決這一問題。