研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的“離域電解液”設(shè)計(jì)理念，其核心思路是通過(guò)引入多樣化的電解液微環(huán)境，增加溶劑化環(huán)境的無(wú)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(shí)現(xiàn)在溶劑化結(jié)構(gòu)分布上點(diǎn)、線、面的跨越，使鋰離子在多個(gè)局部環(huán)境中協(xié)調(diào)，提高鋰離子的擴(kuò)散性，從而提升電池整體性能?！表n曉鵬說(shuō)。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員借助人工智能，對(duì)近300種溶劑和100種鋰鹽的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)溶劑和鋰鹽進(jìn)行分類(lèi)。通過(guò)分析，他們選取了表現(xiàn)最佳的類(lèi)別，并將其用于離域電解液的設(shè)計(jì)。

為驗(yàn)證離域電解液設(shè)計(jì)的有效性，研究團(tuán)隊(duì)用這種電解液組裝了多款高能鋰金屬電池。在一系列測(cè)試中，電池成功實(shí)現(xiàn)了超過(guò)600瓦時(shí)/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(guò)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(shuō)。

在安全性方面，研究人員進(jìn)行了一系列的熱失控和機(jī)械沖擊測(cè)試。結(jié)果表明，采用離域電解液的電池在熱和機(jī)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(jìn)一步驗(yàn)證離域電解液在大規(guī)模應(yīng)用方面的潛力，研究團(tuán)隊(duì)組裝了一臺(tái)3.9千瓦時(shí)的鋰金屬電池組。該電池組的能量密度達(dá)到了480.9瓦時(shí)/公斤，并在25次循環(huán)后保持穩(wěn)定性能。

受訪時(shí)，胡文彬表示，一旦這種大規(guī)模應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，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(guò)低、續(xù)航力差的問(wèn)題束縛著很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！焙谋蛞允謾C(jī)為例解釋說(shuō)，對(duì)于消費(fèi)者而言，電池能量密度低導(dǎo)致很多手機(jī)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(jī)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?yàn)殡姵啬芰棵芏戎苯又萍s了手機(jī)屏幕的擴(kuò)大及相關(guān)程序的安裝量，畢竟過(guò)大的屏幕及過(guò)多的程序會(huì)消耗更多電量?！叭绻謾C(jī)電池的電量可以提升兩到三倍，手機(jī)的未來(lái)發(fā)展將會(huì)獲得比現(xiàn)在大得多的空間?！焙谋蛘f(shuō)。

此外，伴隨著我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無(wú)人飛行器的電量問(wèn)題也越來(lái)越凸顯?！半娏恐苯又萍s無(wú)人機(jī)的飛行里程，甚至引發(fā)‘里程焦慮’?！彼f(shuō)，類(lèi)似情況也會(huì)出現(xiàn)在深海乃至太空的探索過(guò)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(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品達(dá)到國(guó)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(chǔ)更多電力，這解決了電動(dòng)工具和便攜設(shè)備的長(zhǎng)久痛點(diǎn)。

其次，這項(xiàng)技術(shù)的影響正迅速擴(kuò)展到多個(gè)行業(yè)，帶來(lái)深遠(yuǎn)變革。

鋰金屬電池的高能量密度優(yōu)勢(shì)，正好迎合了電動(dòng)交通、低空經(jīng)濟(jì)、消費(fèi)電子和人形機(jī)器人等新興領(lǐng)域的迫切需求。舉個(gè)真實(shí)案例：天大團(tuán)隊(duì)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(wú)人飛行器，實(shí)測(cè)續(xù)航時(shí)間提高了驚人的2.8倍。這意味著在無(wú)人機(jī)行業(yè)中，農(nóng)業(yè)測(cè)繪或緊急救援任務(wù)能持續(xù)更久，效率倍增。

擴(kuò)展到電動(dòng)汽車(chē)，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(chē)主的“續(xù)航焦慮”。想想看，如果你開(kāi)著新一代電動(dòng)車(chē)從哈爾濱到北京，中途不需停車(chē)充電——那將對(duì)消費(fèi)行為產(chǎn)生革命性影響。

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

展望未來(lái)，這項(xiàng)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(chǔ)能技術(shù)的制高點(diǎn)，天大團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)先地位為中國(guó)爭(zhēng)取話語(yǔ)權(quán)，可能引領(lǐng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。短期內(nèi)，依托國(guó)家儲(chǔ)能平臺(tái)和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在提速：中試線已驗(yàn)證產(chǎn)品可行性，下半年批量投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)會(huì)快速應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能系統(tǒng)。長(zhǎng)期看，這為低碳經(jīng)濟(jì)注入動(dòng)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(jì)中，長(zhǎng)續(xù)航無(wú)人機(jī)可優(yōu)化物流和監(jiān)測(cè)，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(shí)驗(yàn)室到試飛驗(yàn)證僅數(shù)年，為其他領(lǐng)域樹(shù)立標(biāo)桿。然而，挑戰(zhàn)依然存在，如確保大規(guī)模應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性，但這已在團(tuán)隊(duì)安全測(cè)試中得到優(yōu)化。整體來(lái)看，電池技術(shù)進(jìn)化正帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)迭代，中國(guó)在全球的角色從跟隨者變?yōu)轭I(lǐng)跑者。

總之，這場(chǎng)鋰金屬電池的革命，不僅是天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)的智慧結(jié)晶，更是中國(guó)科技實(shí)力的象征。它解開(kāi)了能源存儲(chǔ)的瓶頸，讓生活更便捷、產(chǎn)業(yè)更高效、未來(lái)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(jiàn)證電動(dòng)車(chē)飛馳千里、無(wú)人機(jī)翱翔天際的全新時(shí)代。這不僅是能源領(lǐng)域的勝利，更是人類(lèi)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(kuò)散能壘較高會(huì)促進(jìn)鋰枝晶的形成。鋰金屬的不均 勻沉積和枝晶生長(zhǎng)會(huì)引發(fā)以下主要問(wèn)題： 1)鋰的無(wú)限體積膨脹：鋰金屬不同于石墨，硅等嵌入型或合金類(lèi)負(fù)極，它是一種無(wú)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(wú)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(wú)限體積膨脹和枝晶均會(huì)造成鋰表面結(jié)構(gòu)多孔疏松，經(jīng)過(guò)多次充放電 循環(huán)后，表面不穩(wěn)定的鋰會(huì)逐漸粉化并脫落下來(lái)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(zhǎng)和死鋰的產(chǎn)生會(huì)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(huì)隨 之增大，從而使 Li+的擴(kuò)散路徑增加，并且死鋰會(huì)導(dǎo)致表面阻抗增加，這些因素都會(huì)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(zhǎng)會(huì)造成其對(duì)隔膜的應(yīng)力增加，最終會(huì)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?wèn)題。

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(guò)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(jìn)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(zhǎng)及可能引發(fā)的短路問(wèn)題等。

1) 構(gòu)造人工 SEI 膜。 SEI 膜反復(fù)破碎坍塌會(huì)造成電池失效。在鋰電池的充放電循環(huán)中，負(fù)極表面會(huì)被覆蓋一層 鈍化層，稱(chēng)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(guò)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(gè)過(guò)程被稱(chēng)為 SEI 膜的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。如果 SEI 膜的破碎和 坍塌過(guò)于頻繁或失效，會(huì)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(kuò)散性能優(yōu)良的 SEI 膜對(duì)提高鋰電池的循環(huán)性能具有重要意義。 人工 SEI 膜為長(zhǎng)期趨勢(shì)。對(duì) SEI 膜的性能調(diào)控主要有兩種途徑實(shí)現(xiàn)：①通過(guò)調(diào)節(jié)電解質(zhì)添 加劑的成分來(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)鋰金屬的保護(hù)， 進(jìn)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(zhǎng)期趨勢(shì)。 良好的人工 SEI 膜應(yīng)具有以下特點(diǎn)：①優(yōu)異的離子導(dǎo)電性，保證 Li+快速通過(guò);②較高的 機(jī)械強(qiáng)度，保證在界面循環(huán)過(guò)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(lái)技術(shù)難點(diǎn)在于：①均勻性：確保人工構(gòu)建的 SEI 膜在整個(gè)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(wèn)題，如局部電壓失衡和鋰枝晶形成;②多功能性：設(shè)計(jì) 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(jìn)鋰離子傳 導(dǎo)和抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，還能阻燃隔熱提高電池的安全性。 通常來(lái)講，由無(wú)機(jī)組分組成的薄膜對(duì)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(jī)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(jī)械強(qiáng)度較差。人工 SEI 膜的制備可通過(guò)不同的制膜工藝實(shí)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(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠均勻化電流密度，促進(jìn)鋰均勻沉積從而緩解循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生鋰枝 晶的危害，主要方法包括：①?gòu)?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(jì)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(guò)大導(dǎo)致穩(wěn)定性差的問(wèn)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(guò)程中體積會(huì)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(jì)能很好解決這一問(wèn)題。