近日，我校環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院閔宇霖教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)陸俊教授，創(chuàng)新性地提出一種“電場(chǎng)調(diào)控陰離子運(yùn)動(dòng)”新機(jī)制，研發(fā)了一種兼具高電壓耐受性與本征不可燃特性的新型鋰金屬電池電解液。這一發(fā)現(xiàn)從根本上協(xié)調(diào)了電池高能量密度與高安全性之間長(zhǎng)期存在的矛盾，相關(guān)成果以“Customized composition of lithium metal solid-electrolyte interphase by electric field modulation of anion motion direction”為題發(fā)表在Nature子刊《自然·通訊》（Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-026-68498-x）上，標(biāo)志著我校在新能源前沿基礎(chǔ)研究和解決國(guó)家重大能源安全需求方面邁出了堅(jiān)實(shí)一步。論文第一作者為我校環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院2025屆碩士研究生徐晟韜，青年教師鞏帥奇博士、徐巾婷博士、朱晟副教授和閔宇霖教授為通訊作者，上海電力大學(xué)為論文第一單位和通訊單位。
隨著新能源汽車(chē)和大規(guī)模儲(chǔ)能電站的爆發(fā)式增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)電池能量密度和安全性的要求日益嚴(yán)苛。采用高電壓正極與鋰金屬負(fù)極的“無(wú)上限”組合，被視為突破當(dāng)前電池能量密度瓶頸的終極方案。然而，現(xiàn)有電解液普遍存在“致命傷”：要么像碳酸酯類(lèi)溶劑極易燃燒，存在安全隱患；要么在高電壓下不穩(wěn)定，導(dǎo)致電池壽命急劇衰減。如何在實(shí)現(xiàn)電解液不可燃的前提下，確保其能在高達(dá)4.5 V甚至更高的電壓窗口下穩(wěn)定運(yùn)行，一直是全球科學(xué)家面臨的“卡脖子”難題。
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，我校研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種以磷酸三乙酯（TEP）為單一溶劑的本征不可燃電解液體系，并引入多種鋰鹽進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。研究的亮點(diǎn)在于“電場(chǎng)調(diào)控陰離子運(yùn)動(dòng)方向”這一核心機(jī)制。團(tuán)隊(duì)敏銳地捕捉到不同陰離子與鋰離子結(jié)合能的差異，利用外加電場(chǎng)的導(dǎo)向作用，指揮陰離子在電極表面“各就各位”，從而構(gòu)筑出具有明確功能分區(qū)的“三相”固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）：內(nèi)層“守門(mén)員”（富含Li3N）——由強(qiáng)結(jié)合力的ODFB-和NO3-陰離子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下優(yōu)先分解形成，不僅提供了極高的離子電導(dǎo)率，更顯著降低了界面阻抗，確保離子快速、均勻通過(guò)；中層“緩沖墊”（B-O玻璃態(tài)）——作為低結(jié)晶度的過(guò)渡層，它賦予了SEI膜優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和形變自修復(fù)能力，有效抑制了鋰枝晶的刺穿；外層“裝甲層”（富含LiF）——由弱結(jié)合力的BF4-陰離子在外層形成，提供了極高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，像一層堅(jiān)不可摧的鎧甲，抵御高電壓正極的氧化侵蝕。這種“內(nèi)柔外剛、導(dǎo)離子與阻電子”協(xié)同作用的智能界面，完美解決了傳統(tǒng)SEI膜“一損俱損”的結(jié)構(gòu)缺陷。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了該策略的卓越性能。基于此電解液組裝的Li||NCM811全電池，在極具挑戰(zhàn)的4.5 V高截止電壓下，可穩(wěn)定循環(huán)600圈，容量保持率高達(dá)90.19%，且在60 °C高溫極端條件下依然保持81.18%的容量，展現(xiàn)了良好的熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)循環(huán)壽命。采用該技術(shù)的軟包電池實(shí)現(xiàn)了430.51 Wh kg-1的超高能量密度，這一指標(biāo)在目前報(bào)道的采用不可燃電解液的鋰金屬電池中處于領(lǐng)先地位，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
此次在Nature子刊發(fā)表高水平論文，是我校環(huán)化學(xué)院深化綜合改革、堅(jiān)持有組織科研、深耕電力儲(chǔ)能安全領(lǐng)域的集中體現(xiàn)，彰顯了學(xué)院在研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)與高水平師資隊(duì)伍建設(shè)上的顯著成效。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市電力材料防護(hù)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市儲(chǔ)能電池測(cè)控技術(shù)服務(wù)平臺(tái)、上海電力大學(xué)校級(jí)科研創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)基金的支持。
環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 供稿