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，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?！表n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。“如果手機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。”胡文彬說。

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)預計，下半年全面投產(chǎn)后，規(guī)模化生產(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)國際標準。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極，它是一種無基體轉(zhuǎn)化型負極，石墨和硅的體積膨脹分別是 10%和 400%，而鋰負極的體積膨脹是無限的，導致 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，最終會刺穿隔膜導致電池短 路，從而引發(fā)電池熱失控等安全問題。

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 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)或者準固態(tài)電解質(zhì)，利用其 力學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 膜反復破碎坍塌會造成電池失效。在鋰電池的充放電循環(huán)中，負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，且力學性能較 差，在鋰金屬反復沉積和溶出過程中，SEI 膜很易破碎或坍塌，導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、化學氣相沉積法、旋涂法、滴涂法等。

2) 構(gòu)建鋰復合結(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復合鋰多維結(jié)構(gòu)修飾;②元素摻雜;③制備富鋰合金負極。

——復合鋰多維結(jié)構(gòu)修飾：在復合鋰負極的結(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致穩(wěn)定性差的問題。傳統(tǒng)鋰金 屬負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)或者特殊的負極結(jié)構(gòu)設(shè)計能很好解決這一問題。