中科大攻克锂金属电池快充难题，15分钟满电，终结续航焦虑

从智能手机到电动汽车，绝大多数电子设备都依赖传统的锂离子电池（LIBs）供电 。经过数十年的技术迭代，锂离子电池的安全性、循环寿命已趋于成熟，成为当下主流的储能方案，但其能量密度已逐渐逼近物理极限，且在极端环境运行及超快充电场景下，锂离子电池仍面临充电速度慢、性能衰减快、安全隐患突出等诸多挑战。

为了突破这一瓶颈，科学家将目光投向了锂金属电池（LMBs）。作为下一代高能量密度电池的核心候选技术，锂金属电池的理论能量密度可达 500 Wh/kg 以上，远超传统锂离子电池，一旦实现实用化，有望让电动汽车续航里程翻倍、便携式设备充电频率大幅降低。

但长期以来，锂金属电池始终被快充难题牢牢困住，无法走向规模化应用：快充时，电池内部跨界面的电荷转移速度无法跟上充电节奏，进而引发两大难题。

其一，锂金属负极表面会长出锂枝晶（像树枝一样的锂单质），还会产生 “死锂”（没用的锂），不仅让电池容量快速下降，还可能戳穿隔膜引发短路、起火，特别危险；其二，慢的电荷传输会引发各种副反应，让电池的循环寿命大打折扣。

近日，来自中国科学技术大学任晓迪团队、美国 SES AI 公司许康团队在 Nature Energy 上发表成果，他们通过重新设计电解液里的溶剂分子，让锂离子周围的电子排成整齐的通道，大幅加速了锂金属电池的充电速度，最终在真实工业级的大软包电池（2Ah 容量）上实现了 15 分钟充满电，而且还能比较稳定地循环。

SES AI 是全球锂金属电池领域的知名玩家，曾与通用、现代、丰田等车企合作。许康是锂电池电解液领域的国际顶级专家，尤其在高电压/高能量密度电解液、锂金属负极界面调控、固体电解质界面形成机制等方面有极高的影响力。

要解决上述问题，必须深入电化学反应的微观边界。研究人员从整个反应的限速步骤，也就是跨界面的电荷转移入手。

在传统的电解液体系中，锂离子并非孤独行进，而是被溶剂分子紧紧包裹着，形成溶剂化鞘层。传统的醚类电解液虽然对锂金属具有较好的稳定性，但在超快充电下却表现得十分迟钝。这是因为在微观电子结构层面，传统溶剂分子与锂离子的耦合通常呈现出杂乱的、空间错位的分布。

当电子试图通过这些错位的轨道流向锂离子时，会遇到极大的阻力，导致电荷转移效率极其低下。这种迟缓的动力学会引发一系列连锁反应：界面电荷堆积、不均匀的沉积形态，以及在锂表面形成的脆弱、易碎的固体电解质界面膜（SEI）。在快充的压力下，这些 SEI 膜会因为体积膨胀而破裂，进一步加速电解液的消耗和枝晶的疯狂生长。

图 | 锂金属电池中超快电荷转移操作的挑战（来源：上述论文）

此次研究的核心突破，在于团队跳出了微调电解液浓度、添加辅助添加剂的传统研究框架，选择从分子层面重新设计电解液的溶剂分子结构。

他们设计并合成了一种名为 MTP 的新型醚类溶剂分子。这种分子的突破性创新点在于其独特的六元螯合环结构。相比于传统的五元环结构，MTP 分子能引导锂离子与溶剂分子中的孤对电子形成一种特殊的平面配位结构，研究团队将其命名为 PAEC（平面排列电子通道），相当于给电荷和锂离子铺了条“专属高速路”，改变了传统电解液中电荷传输杂乱无章的状态。

PAEC 结构对电荷传输的优化作用，主要体现在两个关键方面：一方面，它让溶剂分子的电子云与锂离子的空轨道在空间上实现高度重叠，让电子能够快速、顺畅地从电极流向锂离子，电荷转移效率呈几何级数提升；另一方面，电子传递效率的大幅提升，使得锂离子在接触锂金属负极的一瞬间，就能快速获得电子并还原为金属锂，大大降低了界面处的反应能垒（即电荷转移需要克服的能量障碍），从根本上解决了电荷堆积的问题。

通过多种先进表征技术，研究团队进一步验证了 PAEC 结构的作用机制：这种整齐的电子通道能够显著抑制局部电荷过度集中，引导锂离子在锂金属负极表面以致密、均匀的方式平铺生长，而非杂乱生长形成锂枝晶，从源头上遏制了锂枝晶的萌发和“死锂”的产生，同时保护 SEI 膜的完整性，减少副反应的发生。

研究人员在工业级 2Ah 锂金属软包电池上进行测试，该电池采用镍钴锰 NMC811 正极，是手机/电动车常用的电芯规格。

实测数据显示，这款搭载 PAEC 电解液的工业级软包电池，在 4C 超高倍率下，该电池能够在 15 分钟内实现 100% 充满；其充电功率密度达到了 1747.6 W/kg，这一数值在目前全球已报道的锂金属电池研究中，处于行业天花板水平，完全满足手机、电动汽车等设备对快充功率的实际需求。

更重要的是，该电池在快充状态下能够保持稳定循环：在 2C、3C、4C 等不同快充倍率下，电池循环超过 100 次后，容量保持率仍维持在较高水平，没有出现明显的衰减，解决了传统锂金属电池快充与长寿命不可兼得的痛点。

同时，循环测试后，研究人员通过表征发现，电池内部的锂金属负极表面依然平整，没有出现明显的锂枝晶生长和“死锂”堆积，SEI 膜保持完整，进一步证明了 PAEC 结构能够长期稳定地保护电池内部结构，保障电池的安全和寿命。

更有意义的是，这种 PAEC 结构的普适性也得到了验证。研究显示，该设计同样能加速钠离子的界面电荷转移，并能应用于硅基等合金负极体系，这为未来更广泛的电化学系统设计提供了通用的策略。

未来，基于这一思路，科学家有望设计出更多高性能电解液，推动锂金属电池、钠离子电池等多种新型储能器件的技术升级，加速下一代高能量密度、超快充电电池的产业化进程。

1.Ruan, D., Chen, S., Guo, J. et al. Molecularly aligned electron channels for ultrafast-charging practical lithium-metal batteries. Nat Energy (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01961-z

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