在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，界面電荷轉(zhuǎn)移往往是決速步驟。對于追求高能量密度的鋰金屬電池 (LMBs)而言，遲滯的界面動(dòng)力學(xué)在超快充 (UFC)也就是15分鐘內(nèi)充滿電的工況下，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的副反應(yīng)和惡劣的表面形貌，典型的如鋰枝晶生長和死鋰堆積。

長期以來，業(yè)界在電解液設(shè)計(jì)上主要致力于優(yōu)化Li+的體相傳輸或通過陰離子富集來調(diào)控固體電解質(zhì)界面 (SEI)。然而，這些策略往往忽略了溶劑分子的空間電子結(jié)構(gòu)對離子-溶劑復(fù)合物及界面電子轉(zhuǎn)移過程的決定性影響。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，增強(qiáng)溶劑化能力雖然有利于解離鹽，但會(huì)阻礙 Li+的去溶劑化和還原。

針對這一行業(yè)痛點(diǎn)，本文提出了一種革命性的電解液設(shè)計(jì)思路：通過重新設(shè)計(jì)溶劑分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建平面排列電子通道 (PAEC)，從而在根本上加速界面電荷轉(zhuǎn)移。

分子結(jié)構(gòu)重塑：從無序到有序

Millennial Lithium

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型醚類溶劑1-甲氧基-3-(3-甲氧基丙氧基)丙烷 (MTP)。與傳統(tǒng)的乙二醇二甲醚 (G2) 等“甘醇”類溶劑不同，MTP 在相鄰氧原子間插入了一個(gè)額外的碳原子，形成了 (–O–CH2–CH2–CH2–O–) 鏈段。這種獨(dú)特的六元雙齒螯合環(huán)結(jié)構(gòu)，使得 MTP 在與 Li+配位時(shí)，其氧原子的孤對電子 (LPEs)能夠形成獨(dú)特的平面排列構(gòu)型。

超快充（UFC）鋰金屬電池與非同尋常的平面排列電子通道（PAEC）溶劑化構(gòu)型

打破“強(qiáng)溶劑化-慢動(dòng)力學(xué)”的魔咒

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這種PAEC構(gòu)型極大地增強(qiáng)了孤對電子與 Li+之間的耦合。傳統(tǒng)的電解液設(shè)計(jì)中，強(qiáng)溶劑化通常意味著 Li+難以獲得電子被還原。然而，DFT 計(jì)算和單晶結(jié)構(gòu)分析表明，MTP 分子中高度有序排列的 LPE 軌道與 Li+的空軌道實(shí)現(xiàn)了相干重疊，構(gòu)建了類似于“分子級導(dǎo)線”的電子通道。

這種特殊的電子結(jié)構(gòu)不僅沒有阻礙，反而促進(jìn)了向 Li+的還原性電子轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，基于 MTP 的局部高濃電解液表現(xiàn)出極高的交換電流密度 (j0)（267.11 mA cm?2，遠(yuǎn)高于 G2 基電解液的 179.50 mA cm?2），證明了其卓越的界面電荷轉(zhuǎn)移不僅動(dòng)力學(xué)。

4C 超快充與實(shí)用化軟包電池性能

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為了驗(yàn)證該策略在工業(yè)級應(yīng)用中的潛力，研究團(tuán)隊(duì)組裝了2 Ah 級的 Li || LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O2 (NM C811) 軟包電池。測試條件極其嚴(yán)苛：采用貧液（注液量 E/C = 0.80 g Ah?1）、超薄鋰箔，并在高電壓（4.5 V）下運(yùn)行。

結(jié)果顯示，MTP 電解液能夠支持軟包電池在4 C的超高倍率下穩(wěn)定循環(huán)，即在15 分鐘內(nèi)完成 100% 充電。在此倍率下，電池的充電功率密度高達(dá)1,747.6 W kg?1，且在循環(huán) 100 次以上后仍保持極高的可逆容量和穩(wěn)定性，未發(fā)生短路或容量跳水。相比之下，傳統(tǒng)的 G2 基電解液電池在 1 C 倍率下即因軟短路而失效。

實(shí)用化 Li||NMC811 軟包電池的電化學(xué)性能

行業(yè)啟示

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這項(xiàng)工作首次建立了溶劑化電子結(jié)構(gòu)與界面電荷轉(zhuǎn)移通過動(dòng)力學(xué)之間的直接聯(lián)系。通過PAEC溶劑化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，成功解決了鋰金屬電池在超快充和貧液等極端工況下的可逆性難題。這不僅為高比能鋰金屬電池的商業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路，也為其他金屬電池（如鈉電池）或合金負(fù)極的電解液分子工程設(shè)計(jì)提供了全新的范式。對于鋰電行業(yè)而言，這意味著在追求高能量密度的同時(shí)，不再需要以犧牲充電速度為代價(jià)，分鐘級快充的高能電池已現(xiàn)曙光。

原文參考：Molecularly aligned electron channels for ultrafast-charging practical lithium-metal batteries

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