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2025-11-03
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【摘要】 天津大学胡文彬、韩晓鹏教授团队在《Nature》发表突破性研究成果，提出"离域化电解质"新范式，成功解决高能量密度锂金属电池界面稳定性难题。科学指南针为本研究提供AIMD模拟等关键计算服务支持，助力电解质设计与机理解析，实现618.2 Wh/kg能量密度突破。
天津大学胡文彬、韩晓鹏教授团队在《Nature》发表突破性研究成果，提出"离域化电解质"新范式，成功解决高能量密度锂金属电池的界面稳定性难题。科学指南针为本研究提供AIMD模拟等关键计算服务支持，助力电解质设计与机理解析。
研究背景与锂金属电池挑战
锂金属电池因理论能量密度远超传统锂离子电池，被视为下一代储能技术核心。然而，其实际应用长期受限于电解质设计矛盾：
电解质设计瓶颈：
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溶剂主导型电解质形成不稳定有机SEI界面，阻碍界面传导
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阴离子主导型电解质牺牲体相离子传输效率，影响整体性能
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高能量密度目标（>600 Wh kg⁻¹）难以实现，贫电解液条件下循环稳定性差
创新方法：离域化电解质设计范式
研究团队提出"离域化电解质"新范式，通过破坏传统溶剂化结构局限性，构建高度无序的溶剂化微环境：
核心创新点：
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多盐多溶剂组合打破传统主导溶剂化结构
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实现溶剂/阴离子协同优势，同步优化离子传输动力学和界面稳定性
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构建"面状"溶剂化分布，显著拓宽Li⁺配位环境多样性
电解质组分智能筛选策略
通过人工智能驱动的K均值聚类分析，系统筛选288种溶剂和99种锂盐分子数据库：
筛选标准与结果：
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以HOMO、LUMO和溶剂化能为关键描述符，将溶剂分为四类集群
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目标溶剂集群（67种）兼具优异氧化还原稳定性与适中锂离子亲和力
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盐类筛选基于HOMO、LUMO及结合能，目标盐集群（19种）平衡阴离子配位能力与电化学稳定性
图1. 电解质组分筛选策略
溶剂化微环境与离子传输机制
分子动力学模拟与同步辐射X射线散射揭示离域化电解质的独特溶剂化结构：
结构特征发现：
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形成"面状"溶剂化分布，Li-Li径向分布函数峰拓宽至3.4–8.3 Å
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同步辐射宽角X射线散射显示介观尺度结构多样性与局部构型无序性
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拉曼和核磁共振谱证实Li⁺溶剂化结构的广域分布
图2. 离域化电解质的溶剂化微环境
电化学性能与安全验证
离域化电解质在Ah级软包电池中实现能量密度与循环稳定性双突破：
性能指标：
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5.5-Ah电池能量密度达604.2 Wh kg⁻¹，100次循环后保持517.7 Wh kg⁻¹
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超贫电解液设计（0.9 g Ah⁻¹）下，5.2-Ah电池能量密度提升至618.2 Wh kg⁻¹
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针刺测试温升和形变远低于传统电解质，产气量减少60%
图3. 软包电池电化学性能
电极界面稳定性与表征
循环后电极形貌分析揭示离域化电解质对界面的稳定作用：
界面改善效果：
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锂金属负极厚度仅增150%，孔隙率降至22%，沉积形貌致密均匀
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高负载NCM811正极仅形成<2 nm重构层，晶体结构保持完整
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原位光学显微镜显示锂沉积为球形颗粒，剥离后界面平整
图4. 循环后电极表征
界面化学机制与计算验证
科学指南针支持的AIMD模拟与界面谱学分析阐明离域化电解质稳定机理：
机制解析：
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UDE1分解产物中无机物占比达53%，形成薄SEI（8 nm）
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XPS和ToF-SIMS显示LiF分布均匀且富集于内层，抑制锂枝晶穿透
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正极电解质界面形成致密无机层，避免多孔有机CEI产生
图5. 界面化学机制
产业化前景与总结展望
离域化电解质设计成功突破高能量密度与界面稳定性矛盾，展现产业化潜力：
应用成果：
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3.9-kWh电池包能量密度达480.9 Wh kg⁻¹，25次循环后容量保持率>87%
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超贫电解液设计（0.9 g Ah⁻¹）验证实用化潜力
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为电动汽车和电网储能提供可行技术路径
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论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09382-4
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