Nature Nanotechnology：静电介导：锂金属电池电解液设计的极性描述符新范式！

锂金属电池因其超高的理论比容量和最低的电化学电位而被视为下一代高比能电池体系的终极选择。然而，金属锂负极与电解液之间的严重副反应不仅导致库仑效率低下，还引发锂枝晶生长和固态电解质界面膜的持续破坏，严重制约了锂金属电池的循环寿命和安全性能。传统的电解液设计策略主要集中于调控锂离子或阴离子的单一化学行为，却忽视了溶剂分子自身在介观尺度上对锂离子溶剂化结构和阴离子还原动力学的调控作用。尽管高浓度电解液、局部高浓度电解液和弱溶剂化电解液等策略在一定程度上提升了锂金属负极的循环稳定性，但这些方法普遍缺乏对溶剂分子表面电荷分布与电解液宏观性质之间构效关系的系统理解，难以建立从分子尺度到电池性能的普适性设计准则。

成果简介

针对以上难题，浙江大学范修林、李如宏团队阐释了介质环境对溶剂化状态和阴离子还原的影响，并提出了通过设计极性指数量化探索各类溶剂的媒介增强电解液设计策略。该溶剂媒介方法在纳米尺度上通过分离的溶剂表面电荷产生分子间静电场，从而增强相互作用以更好地容纳溶剂化的锂离子，并降低阴离子的还原能垒。这些经过精细调控的媒介增强电解液具有稳定的溶剂化状态和充分的界面相形成能力，能够实现稳健的界面化学特性并抑制副反应。将上述媒介增强电解液设计应用于6-Ah Li ‖ LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (Li ‖ NCM811) 软包电池，在21 mA g−1（基于正极活性物质质量）的电流密度下，初始比能量达到508 Wh kg−1（基于电池总质量），并在42 mA g−1下经149次循环后仍保持93%的能量保持率。在16-Ah零锂过量Cu ‖ LiNi0.90Mn0.05Co0.05O2 (Cu ‖ NCM955) 软包电池中，该媒介增强电解液策略同样实现了约550 Wh kg−1（基于电池总质量）的初始比能量（电流密度为23 mA g−1）。

相关论文以“Electrostatic regulation of solvation chemistry enables ampere-hour-scale high-energy lithium metal batteries”为题，发表在Nature Nanotechnology上。

图文导读

图1 溶剂和电解质溶液的设计理念

图1系统展示了从传统电解液设计到该工作介体增强策略的演变逻辑。图1a通过示意图对比了DebyeHückel模型（仅适用于稀溶液，形成有机富SEI）、阴离子富集模型（HCE/LHCE/WSE，形成无机富SEI但忽略溶剂极性）以及本文提出的溶剂介体模型（综合调控Li+溶剂化和阴离子还原，实现CE持续提升）。图1b给出了该策略的热力学与动力学理论基础，上方以经典偶极 偶极相互作用公式为参照，下方用新定义的极性指数（MPI、MNPI、MPPI）替代传统偶极矩，从而更准确地描述非水电解液中复杂的分子间相互作用。图1c是MPI与MNPI的二维溶剂性质图，图中以FSI⁻的MNPI值（8.88 kcal mol−1）和盐溶解临界值（4.70 kcal mol−1）为分界线，将溶剂划分为强溶剂化区（区I）、弱溶剂化区（区II）和丧失溶剂化能力区（区III），同时以MPI=5.50 kcal mol−1界定相分离区（区IV）。该图直接证明了所设计的极性指数能够定量区分溶剂的配位能力、混合稳定性及其与阴离子的竞争关系，为后续溶剂筛选提供了明确的可操作判据。

图2 分子间相互作用和溶剂增强对阴离子还原的影响

图2聚焦于溶剂 介体对阴离子还原的增强效应及其分子机制。图2a给出了电解液混合热力学与相行为的吉布斯自由能 组成相图，表明高MPPI溶剂（如OFBE）能够将阴离子富集溶剂化簇与游离溶剂联结为单一均相，避免液 液相分离。图2b的光学照片直观验证了OFBE可有效抑制EOTMS和BTMS体系中的相分离，而低极性TFMC和HFE则无效。图2c的DFT计算进一步定量展示了OFBE、DTFB、SFE等与EOTMS、BTMS、DME及FSI⁻具有更负的相互作用能，证实了其强的分子间亲和力。图2df的电子密度差图揭示了OFBE和DTFB对FSI⁻周围电子云的显著极化作用，而HFE的影响微弱。图2gi的从头算分子动力学（AIMD）自由能采样显示，OFBE、DTFB和SFE环境中FSI⁻还原为LiF的能垒明显低于HFE和TFMC环境，且溶剂化构型中FSI⁻的SF键被有效拉伸。综上，图2系统地验证了高MPPI溶剂通过强偶极 离子相互作用产生局部静电场，从而降低阴离子分解活化能、促进LiF快速成核的介体增强机制。

图3 MEEs的物理化学和电化学表征

图3从谱学、热力学和电化学角度全面表征了MEE的体相与界面特性。

结论展望

该项研究突破了传统电解液设计仅聚焦于阳离子或阴离子化学的局限性，提出了媒介增强电解液策略，通过分子表面静电势衍生的极性指数实现了溶剂的精准筛选和电解液的适配性调配。该策略的核心在于利用具有高分子正极性指数的溶剂构建媒介分子，其在纳米尺度上产生的分子间静电场不仅能够稳定阴离子富集的溶剂化结构，还能显著降低阴离子还原分解的能垒，从而促进快速形成无机组分富集的坚固界面膜。最优的媒介增强电解液在安时级软包电池中的验证结果表明，该设计理念兼具基础科学意义和实际应用价值，为开发500 Wh/kg级别以上的高比能锂金属电池提供了可行路径。

文献信息

Zhang, H., Chen, L., Hua, J. et al. Electrostatic regulation of solvation chemistry enables ampere-hour-scale high-energy lithium metal batteries. Nat. Nanotechnol. (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02212-2

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