溶剂化鞘重构使锂离子电池实现快速离子传输动力学

为什么在寒冷条件下更快的电池很重要

锂离子电池为我们的手机、汽车，甚至飞机原型提供动力，但在被要求快速充电或在严寒环境下工作时往往表现不佳。通俗地讲，电池内负责运送锂离子的液体变得粘稠且运行缓慢，离子因此被拖累。本文探讨了一种重新设计该液体的新方法，使锂离子即便在低至−50 °C的温度下也能快速移动，为电动汽车以及必须在冬季气候和快速充电条件下可靠运行的设备打开了新可能。

内层液体如何拖累电池

在锂离子电池内部，带电的锂原子在称为电解液的液体中移动。在大多数商业电池中，这种液体基于碳酸酯溶剂，会将锂离子包裹在体积较大的分子壳层中。这些大的壳层有助于维持电池稳定性，但也迫使锂离子拖着一群沉重的“随从”移动，从而减慢其速度。其他先进设计尝试通过将离子和溶剂打包成致密簇来强化电极表面的保护层。那能改善长期稳定性，但会进一步减少自由、可移动离子的数量并限制电流流动速度，尤其在液体部分固化的低温下问题更为严重。

一种能疏散人群的新成分

研究者提出了不同的策略：加入一种小分子、弱极性的“调节剂”，它能潜入锂离子周围拥挤的环境并温和地打散过大的簇。他们用一个简单参数D来描述这种作用，该参数仅依赖于两个基本性质——分子间电相互作用的强弱和分子体积。D值越高，说明该调节剂越能将大型簇分解成紧凑且可移动的单元。依据这一规则，他们确定了二氯甲烷是一个特别有效的选择。当它与常规盐和乙腈溶剂混合时，会重构溶液，使锂离子大多以与单个对离子配对的紧凑、均匀小团形式存在，而不是被困在广泛的聚集体中。

让离子跳跃而不是拖行

计算机模拟显示，在这种新型电解液中，锂离子移动时并不拖着整个溶剂壳层。相反，离子以跳跃方式迅速从一个局部环境跃迁到下一个，在任一给定邻近体停留的时间大大减少。这种跳跃式运动比传统电解液中的“载具式”运动快得多。该新混合物在较宽的温度范围内支持高离子电导率，保持高比例的电荷由锂离子携带，并能在约−100 °C保持单相液体。相比之下，标准碳酸酯基液体在室温下可能导电性略好，但在约−40 °C附近会冻结或显著增稠，从而阻塞离子运动。

从实验室电池到实用软包电池

在使用石墨负极和高能量NMC811正极组装的电池中测试时，重构后的电解液既实现了快速充电，又在低温下表现优异。在极高电流下循环的石墨电池在数百到数千个循环中仍保持大部分容量，表明通常的瓶颈——将锂从其溶剂壳中释放并嵌入石墨——得到了缓解。额定容量为1.0安时的全尺寸软包电池在−40 °C时输出0.87安时，在−50 °C时仍维持超过额定容量一半的容量，而在相同条件下使用商业电解液的类似电池几乎没有或没有可用能量。

在电极上构建更好的保护膜

研究团队还考察了新型电解液如何改变在电极表面生长并在很大程度上决定电池寿命的薄膜。通过先进的显微镜和光谱学手段，他们发现基于二氯甲烷的混合物在石墨和NMC811表面都形成了非常薄、紧密堆积、富无机成分的层。这些层对锂离子具有良好导通性并能抵抗机械损伤，不像由标准碳酸酯液体形成的更厚、更有机化的膜那样通常多孔且阻碍离子流动。更干净、更均匀的薄膜有助于维持性能测试中观察到的快速离子转移并减少循环过程中的能量损失。

这项工作对未来电池意味着什么

简单来说，这项研究表明，精心选择的小分子可以重构电池内部的液体环境，使锂离子以敏捷的跳跃而非缓慢的拖行方式移动，即便在极端低温下亦是如此。尽管此处使用的特定添加剂二氯甲烷存在毒性和挥发性等缺点，但它作为概念验证表明，D参数可以指导寻找更安全且同样有效的分子。更广泛的意义在于，通过调整电解液如何包围和释放锂离子，工程师可以为下一代锂离子电池实现更快速的充电和可靠的低温性能打开新途径。

引用: Li, M., Lu, D., Wang, J. et al. Solvation sheath reorganization enables fast ion transfer kinetics in lithium-ion battery. Nat Commun 17, 3953 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70570-5

关键词: 锂离子电池, 电解液设计, 低温性能, 快速充电, 离子传输