（通讯员 袁利霞） 2025年7月16日，国际顶级学术期刊《Nature》在线刊发我校材料学院、材料成形与模具技术全国重点实验室动力与储能电池团队黄云辉教授、袁利霞教授的重磅研究成果。他们提出了一种基于界面张力驱动的“微乳电解液”设计策略，实现了对活性极高的锂金属负极和高镍高电压正极的界面动态同步保护，为破解锂电池高能量密度下的高稳定和高安全（“三高”）难题提供了新思路。具体而言，该策略利用胶束与碳酸酯电解液之间的液-液界面张力，驱动氟化胶束定向迁移至正负极界面，从而将界面构筑与溶剂化结构解耦。采用该策略研制的两款Li||NCM811软包全电池呈现出非常优异的性能：能量密度高达531 Wh kg⁻¹和547 Wh kg⁻¹，189次和155次循环后容量保持率仍分别达81%和79%（图1(c)），为目前行业领先水平；同时抑制了电池在循环过程中的产气，针刺无压降不起火，突破了高比能电池安全性差的瓶颈。
锂金属负极匹配高镍正极被视为突破500 Wh kg⁻¹能量密度的关键组合。为实现如此高的能量密度，必须开发能够同时稳定正负极界面的电解液体系以确保电池的安全长循环性能。尽管在锂负极侧构建阴离子衍生的无机界面已取得显著成效，但发展能同步保护高镍正极和锂金属负极的普适性策略仍是挑战。
本研究工作将微乳理论引入电解液设计，以液-液界面张力（γL-L）替代传统电场驱动，实现界面调控与Li⁺迁移的解耦。体系由三种组分构成：连续相BO（1 M LiDFOB–0.2 M LiBF4溶于DEC/FEC（2: 1，v/v））、不溶相IM-F（全氟化溶剂PFP）及双亲相AM-F（部分氟化溶剂TTE）。在微乳电解液体系中，IM-F被AM-F包裹形成50–120 nm的核–壳结构胶团（PFP@TTE），其与碳酸酯电解液基体之间存在γL-L。当组装电池时，γL-L成为主导驱动力，使氟化胶束自发向正负极界面迁移以降低体系自由能，该过程不受电场方向或Li⁺浓度梯度限制。氟化胶束在界面富集后，PFP优先氧化分解，TTE协同供氟，生成致密且富含LiF的CEI与SEI；同时氟化胶束本身作为“氟库”，在循环中不断补充界面消耗，实现动态修复。该机制突破了传统高浓度或局部高浓度电解液依赖Li⁺溶剂化调控的瓶颈，允许使用更低氟量（PFP可降至1 vol%，TTE 2 vol%）即获得高稳定性，同时保持碳酸酯基体的高离子电导率（≈5 mS cm⁻¹）与宽电化学窗口。采用微乳电解液的Li||NCM811扣式电池4.5 V循环850次容量保持84.6%，4.7 V循环400次保持94.4%；7.2 Ah软包电池能量密度531 Wh kg⁻¹，189次循环后保持81%；7.5 Ah软包电池547 Wh kg⁻¹，155次循环后保持79%。本研究的微乳电解液策略不仅为高能量密度锂金属电池提供了解决方案，更为拓展可充电电池体系的电解液设计策略提供了新的理论依据和技术途径。
图1 (a) 基于Li⁺溶剂化策略的电解液在充电过程中Li⁺迁移行为及正负极界面演变示意图；(b) 基于微乳液策略的电解液在充电过程中Li⁺迁移行为及正负极界面演变示意图；(c) Ah级Li||NCM811软包电池在BO/TTE/PFP电解液中的循环性能，插图显示软包电池实物及关键参数；(d) 7.2 Ah软包电池在BO/TTE/PFP电解液中的电压–容量曲线；(e) 文献及本工作中安时级Li||NCM软包电池性能对比；(f) 使用BO/TTE与BO/TTE/PFP电解液的软包电池循环后厚度变化
图2 (a) BO/TTE与BO/TTE/PFP电解液的冷冻电镜图像；(b) BO/TTE电解液与NCM811正极界面的冷冻电镜图像；(c) BO/TTE/PFP电解液与NCM811正极界面的冷冻电镜图像；(d) 从NCM811正极界面到BO/TTE/PFP电解液本体的拉曼光谱分布图；(e) 从锂负极界面到BO/TTE/PFP电解液本体的拉曼光谱分布图；(f) 从正负极界面到BO/TTE电解液本体的拉曼光谱分布图；(g) 含不同浓度PFP的电解液及与NCM811正极浸泡后的BO/TTE/PFP电解液紫外–可见光谱；(h) BO/TTE/PFP电解液与NCM811正极界面在充放电过程中的原位拉曼光谱
图3 (a) 不同电解液中Li||NCM811电池在3.0–4.5 V区间的循环性能；(b) BO/TTE/PFP电解液中电池的对应电压–容量曲线；(c) BO/TTE/PFP电解液中电池在3.0–4.5 V区间的倍率性能；(d) 对应倍率下的电压–容量曲线；(e) 不同电解液中Li||NCM811电池在3.0–4.7 V区间的循环性能；(f) Li||Cu半电池在不同电解液中的时间–电压曲线；(g) (f)中平均库仑效率柱状图；(h) BO/TTE电解液中Li||NCM811电池循环时的原位7Li NMR信号；(i) BO/TTE/PFP电解液中Li||NCM811电池循环时的原位7Li NMR信号
图4 (a）BO/TTE电解液中循环100次后NCM811正极截面场发射扫描电镜图；(b) 对应CEI的高分辨透射电镜图；(c) BO/TTE/PFP电解液中循环100次后NCM811正极截面场发射扫描电镜图；(d) 对应CEI的高分辨透射电镜图；(e) BO/TTE电解液中循环后锂负极表面场发射扫描电镜俯视图；(f) 对应锂负极截面图；(g) BO/TTE/PFP电解液中循环后锂负极表面场发射扫描电镜俯视图；(h) 对应锂负极截面图；(i) 经Ar+溅射不同时间后CEI成分演变对比；(j) 锂负极TOF-SIMS深度分析LiF2⁻与CH2O⁻分布；(k) 更换新电解液后Li||NCM811电池3.0–4.5 V区间的循环性能对比
图5 (a) 激光照射下电解液丁达尔现象对比；(b) 三种微乳电解液与NCM811正极界面处的拉曼光谱与体相对比；(c) 溶剂FOB值与表面张力关系图，划分空白溶剂、IM-F溶剂与AM-F溶剂区域；(d) 不同微乳液电解液中Li||NCM811电池在3.0–4.5 V区间的循环性能；(e) LB015、LB015/TTE及LB015/TTE/PFP电解液中Li||NCM811电池在3.0–4.7 V区间的循环性能；(f) 不同PFP/TTE用量的BO/TTE/PFP电解液中Li||NCM811电池在3.0–4.5 V区间的循环性能；(g) 满充6.8 Ah（4.5 V）软包电池针刺测试过程中的温度与电压–时间曲线；(h) 针刺测试前后软包电池光学照片；(i) PFP灭火实验的光学照片及提升安全性能示意图
该论文由华中科技大学为第一完成单位和牵头单位，联合浙江大学、上海空间电源研究所、郑州大学、武汉大学、清华大学共同完成。我校黄云辉教授和袁利霞教授、浙江大学陆俊教授为论文共同通讯作者，我校博士生纪海锦和向经纬、上海空间电源研究所李永研究员、浙江大学博士后郑梦婷为共同第一作者。黄云辉教授领衔的动力与储能电池团队长期致力于高比能高安全锂电池领域的研究，该工作从提出到完成历时5年，这也是该团队继与同济大学等合作提出“金属锂负极疲劳失效新机制”（Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries，Science, 2025, 388, 311-316），时隔3个月后发表的又一重要成果。该研究得到了国家自然科学基金和湖北省自然科学基金的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09293-4
