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在电化学系统中，界面电荷转移是决定反应速率的关键步骤。对于锂金属电池（LMBs）而言，缓慢的界面动力学会引发副反应和危险的表面形貌，尤其是在超快充电（UFC，定义为15分钟内充满电）条件下，锂枝晶和“死锂”（Li⁰）的形成尤为突出。尽管通过电解质工程等策略，锂金属电池的库仑效率和循环寿命在低倍率（<0.2 C）或充足电解液条件下已得到显著改善，但这些成果难以直接应用于对实际应用至关重要的严苛条件：超快充电和贫电解液。在这些条件下，缓慢的电荷转移动力学会导致严重的副反应和锂枝晶疯狂生长，造成电解液快速消耗和电池失效。因此，实现稳定、安全的实用型超快充电锂金属电池，必须克服界面电荷转移这一根本性挑战。

鉴于此，中国科学技术大学任晓迪教授与SES AI Corporation 许康博士报道了一种通过重新设计溶剂分子结构来加速界面电荷转移的新方法。研究者将溶剂分子设计成具有独特的平面配位构型，使其孤对电子（LPEs）与碱金属阳离子（Li⁺或Na⁺）形成平面排列的电子通道（PAEC）。这种结构极大地增强了LPEs与Li⁺之间的耦合，促进了Li⁺/Li⁰氧化还原反应的动力学和可逆性。基于此设计的电解质，使得工业级2 Ah Li||LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂（NMC811）软包电池能够在4 C的超高倍率下稳定循环，充电功率密度达到1,747.6 W kg⁻¹，实现了15分钟满充。该研究建立了溶剂化电子结构与电荷转移动力学之间的联系，为极端电化学条件下的电解质设计指明了新方向。相关研究成果以题为“Molecularly aligned electron channels for ultrafast-charging practical lithium-metal batteries”发表在最新一期《nature energy》上。

【 平面排列电子通道的溶剂化结构设计】

长期以来，醚类溶剂因其对锂金属的相对稳定性，成为高浓度电解质的基础，推动了锂金属电池的发展。然而，传统醚类溶剂（如甘醇二甲醚系列G1-G4）的溶剂化结构存在局限性：强溶剂化能力（高Li⁺-LPE耦合）虽有利于离子传导，却抑制了向Li⁺的还原性电子转移；而弱溶剂化溶剂虽有利于电子转移，却因强离子对效应导致离子电导率下降。这构成了UFC所需的“高离子电导”与“高效界面电子转移”之间的矛盾。

为解决这一矛盾，研究团队设计了一种新型醚类溶剂分子：1-甲氧基-3-(3-甲氧基丙氧基)丙烷（MTP）。其关键创新在于在相邻氧原子之间插入了一个额外的碳原子，形成了六元双螯合环（-O–CH₂–CH₂–CH₂–O–），而非传统甘醇二甲醚的五元环。理论计算和单晶结构分析表明，这种结构使MTP与Li⁺形成的配合物（Li-MTP）中，氧原子的LPE轨道呈现出独特的共面排列，并与Li⁺的空轨道高度重叠，从而构建了“平面排列的电子通道”（图1e, f）。这种结构打破了ΔE_b（Li-溶剂结合能）与ΔQ_Li（还原过程中Li原子电荷变化量）之间的常规负相关关系，实现了强Li⁺-LPE耦合与高效还原电子转移的兼得（图1d）。

图 1. UFC LMBs 及罕见的 PAEC 溶剂构象

【超快且优异的界面电荷转移动力学】

为了验证PAEC结构的优势，研究比较了基于MTP和G2的局部高浓度电解质。结果表明，MTP电解质因更强的Li⁺-LPE耦合促进了离子解离，从而在宽温区内表现出比G2电解质更高的离子电导率（25°C时，6.4 vs. 3.1 mS cm⁻¹）。分子动力学模拟证实，MTP电解质中的离子溶剂化保持了LPE朝向Li⁺的共面构型（图2a, b）。

图 2. 通过平面排列的电子通道传递电荷的机制

通过使用超微电极的瞬态循环伏安测试，直接测定了界面电荷转移动力学。MTP电解质显示出更快的动力学，其界面交换电流密度（j₀）高达267.11 mA cm⁻²，显著高于G2电解质（179.50 mA cm⁻²）和G3电解质（97.45 mA cm⁻²）（图3b）。理论计算进一步表明，Li-MTP配合物在Li⁰表面组装最紧密，且Li-溶剂解配位能垒最低（图3c, d）。在Li||Cu电池中，MTP电解质在10 mA cm⁻²的高电流密度下，不仅成核过电位更低，而且沉积的锂金属形貌更致密均匀（图3e）。

图 3. PAEC 溶剂处理，用于超快界面动力学及促进锂沉积

【实用锂金属软包电池的超快充电性能】

研究最终在接近实用的条件下测试了Ah级软包电池（Li||NMC811，2 Ah，4.5 V，贫电解液，薄锂箔，低N/P比）。在超贫电解液（E/C = 0.80 g Ah⁻¹）条件下，基于MTP电解质的电池实现了4 C UFC性能，充电过程极化未急剧增加，容量保持良好；而基于G2电解质的电池在1 C快充时即因软短路而失效（图4a-c）。

更令人印象深刻的是，使用MTP电解质的400 Wh kg⁻¹级别软包电池，在2 C、3 C乃至4 C的超快充放电条件下循环超过100次，未出现突然的容量衰减或短路（图4d）。这是首次实现实用锂金属电池在分钟级别（而非小时级别）完成满充，并达到了前所未有的高充电功率密度（1,747.6 W kg⁻¹），其快充能力可与锂离子电池相媲美（图4e）。

图 4. 实用型Li||NMC811软包电池的电化学性能

【总结与展望】

本研究填补了离子溶剂化配合物电子结构与界面电荷转移动力学之间的认知空白，为解决实用超快充电锂金属电池的长期循环稳定性难题提供了新方案。通过重新设计MTP溶剂分子，实现了氧原子LPEs与Li⁺空轨道的共面排列，构建了高效的电子转移通道。MTP电解质凭借其独特的PAEC溶剂化结构，展现出超快的界面电荷转移动力学，即使在长期循环和UFC条件下也能促进均匀的锂沉积并抑制枝晶生长。该工作揭示了溶剂化结构对界面动力学的立体电子效应，为极端条件下高能电化学体系的分子电解质工程提供了全新见解。展望未来，在实际运行条件下界面电荷转移和锂沉积机制将更为复杂，仍需进一步深入研究，以推动高能量密度锂金属电池的商业化进程。