锂金属电池新突破：平面排列电子通道助力4C级超快充

在电化学储能领域，界面电荷转移往往是决速步骤。对于追求高能量密度的锂金属电池 (LMBs)而言，迟滞的界面动力学在超快充 (UFC)也就是15分钟内充满电的工况下，会引发严重的副反应和恶劣的表面形貌，典型的如锂枝晶生长和死锂堆积。

长期以来，业界在电解液设计上主要致力于优化Li+的体相传输或通过阴离子富集来调控固体电解质界面 (SEI)。然而，这些策略往往忽略了溶剂分子的空间电子结构对离子-溶剂复合物及界面电子转移过程的决定性影响。传统的观点认为，增强溶剂化能力虽然有利于解离盐，但会阻碍 Li+的去溶剂化和还原。

针对这一行业痛点，本文提出了一种革命性的电解液设计思路：通过重新设计溶剂分子结构，构建平面排列电子通道 (PAEC)，从而在根本上加速界面电荷转移。

分子结构重塑：从无序到有序

Millennial Lithium

研究团队设计了一种新型醚类溶剂1-甲氧基-3-(3-甲氧基丙氧基)丙烷 (MTP)。与传统的乙二醇二甲醚 (G2) 等“甘醇”类溶剂不同，MTP 在相邻氧原子间插入了一个额外的碳原子，形成了 (–O–CH2–CH2–CH2–O–) 链段。这种独特的六元双齿螯合环结构，使得 MTP 在与 Li+配位时，其氧原子的孤对电子 (LPEs)能够形成独特的平面排列构型。

超快充（UFC）锂金属电池与非同寻常的平面排列电子通道（PAEC）溶剂化构型

打破“强溶剂化-慢动力学”的魔咒

Millennial Lithium

这种PAEC构型极大地增强了孤对电子与 Li+之间的耦合。传统的电解液设计中，强溶剂化通常意味着 Li+难以获得电子被还原。然而，DFT 计算和单晶结构分析表明，MTP 分子中高度有序排列的 LPE 轨道与 Li+的空轨道实现了相干重叠，构建了类似于“分子级导线”的电子通道。

这种特殊的电子结构不仅没有阻碍，反而促进了向 Li+的还原性电子转移。实验数据显示，基于 MTP 的局部高浓电解液表现出极高的交换电流密度 (j0)（267.11 mA cm⁻²，远高于 G2 基电解液的 179.50 mA cm⁻²），证明了其卓越的界面电荷转移不仅动力学。

4C 超快充与实用化软包电池性能

Millennial Lithium

为了验证该策略在工业级应用中的潜力，研究团队组装了2 Ah 级的 Li || LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O2 (NM C811) 软包电池。测试条件极其严苛：采用贫液（注液量 E/C = 0.80 g Ah⁻¹）、超薄锂箔，并在高电压（4.5 V）下运行。

结果显示，MTP 电解液能够支持软包电池在4 C的超高倍率下稳定循环，即在15 分钟内完成 100% 充电。在此倍率下，电池的充电功率密度高达1,747.6 W kg⁻¹，且在循环 100 次以上后仍保持极高的可逆容量和稳定性，未发生短路或容量跳水。相比之下，传统的 G2 基电解液电池在 1 C 倍率下即因软短路而失效。

实用化 Li||NMC811 软包电池的电化学性能

行业启示

Millennial Lithium

这项工作首次建立了溶剂化电子结构与界面电荷转移通过动力学之间的直接联系。通过PAEC溶剂化结构的设计，成功解决了锂金属电池在超快充和贫液等极端工况下的可逆性难题。这不仅为高比能锂金属电池的商业化应用铺平了道路，也为其他金属电池（如钠电池）或合金负极的电解液分子工程设计提供了全新的范式。对于锂电行业而言，这意味着在追求高能量密度的同时，不再需要以牺牲充电速度为代价，分钟级快充的高能电池已现曙光。

原文参考：Molecularly aligned electron channels for ultrafast-charging practical lithium-metal batteries