通过电场调控阴离子运动方向定制锂金属固体电解质界面组成

为日常设备打造更安全、更长寿的电池

现代生活依赖可充电电池，从智能手机到电动汽车皆是如此。但当今的锂离子电池正接近其能量极限，且仍依赖易燃液体——一旦出现故障，这些液体可能引发燃烧。本研究探索了一种新的不易燃电池液体，它不仅能提升高能量锂金属电池的安全性，还能在苛刻条件下显著延长电池寿命。

专为耐燃设计的新型液体

研究人员以一种名为三乙基磷酸酯的特殊溶剂为起点，该溶剂天然不易点燃。然而，单独使用时，这种溶剂并不适合与高度活泼的锂金属配合，而锂金属可实现远高于现有石墨负极的能量。当常见电解液遇到锂金属时，往往发生分解并形成脆弱的表面层，导致寿命和安全性问题。为了解决这一点，团队向这种不易燃溶剂中加入了精心选择的三种锂盐混合物，从而制备出既能高效传导电荷又能在锂金属上构建稳固保护层的电解液。

用电场引导离子运动

该设计的核心在于工作时不同带负电荷的阴离子在电场作用下与锂离子的相互作用。通过计算机模拟，作者发现两种阴离子（来自二氟硼酸锂和硝酸锂）与锂离子结合得很牢。当锂离子在充电过程中向金属表面移动时，这些阴离子被拖拽并在锂附近聚集。第三种阴离子（来自四氟硼酸锂）结合较弱，因此停留得更远、在液相中移动更自由。这种不均匀行为意味着盐类不会在同一位置分解：强结合的阴离子在锂表面附近分解，而结合较弱的则主要在更远处反应。

构建智能保护层

这种受控分解构建出一种“智能”固体层，称为固体电解质界面（SEI），具有刻意设计的结构。在靠近锂金属的位置，界面富含含硼和含氮化合物，形成一种柔性、类玻璃基体以及高导电性的氮化锂相。这些内层成分有助于锂离子快速且均匀地迁移，降低形成可刺穿隔膜的针状枝晶的风险。在外层，含氟盐的分解生成富含氟化锂的壳层，氟化锂为坚硬且稳定的化合物，可使表面变刚性，进一步抑制枝晶生长。使用先进显微镜和表面探针的实验证实了这种内外分层结构，并表明新形成的SEI在机械强度和导电性方面均表现优异。

正负极双向增强的性能

定制电解液的益处在电池的两侧都能体现。在锂金属侧，测试电池显示出更平滑、更致密的锂沉积，枝晶显著减少，优于使用常规易燃碳酸酯电解液的电池。在简单的锂金属循环测试中，电池运行时间超过1000小时，并在反复镀剥锂过程中保持高效率。在正极方面，团队将该电解液与一种名为NCM811的高能量正极材料配对，该材料常见于先进电动汽车电池。在许多电解液失效的高电压下，新型液体在正极表面形成一层薄且主要无机的保护膜。该薄膜减少了不期望的副反应，抑制正极金属元素溶出到电解液中，并在反复充放电过程中帮助维持正极的晶体结构。

高能量、长寿命与更高安全性

综合这些效果，研究实现了一种高性能且更安全的锂金属电池。采用新型电解液的全电池在高截止电压4.5 V下可循环600次，同时在室温下仍保持约90%的容量，在60 °C时仍超过80%——这些数据远优于使用传统电解液的电池。在具有实际高负载正极的实用软包电池中，得到的比能量约为430 Wh/kg（按整电池质量计），并在几十次循环后仍保留大部分容量。热和火焰测试表明，与商业配方相比，该不易燃电解液在过热时释放的能量大大减少且更难点燃。简而言之，本研究证明了通过精确引导不同离子在电场中的运动和分解位置，能够构建一种不易燃且能同时保护正负极的液体，从而实现寿命更长、火灾风险更低的高能量锂金属电池。

引用: Xu, S., Zheng, L., Guo, X. et al. Customized composition of lithium metal solid-electrolyte interphase by electric field modulation of anion motion direction. Nat Commun 17, 1790 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68498-x

关键词: 锂金属电池, 不易燃电解液, 固体电解质界面, 高电压正极, 电池安全