生活中，幾乎每個人都曾因為手機電量行將耗盡而焦急不已。此時，相信人們的心中都會涌起一聲感嘆——如果手機的電池容量能再大點兒該多好！
“手機電池只是可充放電池的一個很小應用。如今，隨著電動交通、人工智能等技術的發展，人們對高能量、長續航可充放電池的需求正變得日益迫切。”天津大學材料學院教授胡文彬告訴《中國科學報》，單位電池中可容納的電量多少被稱為能量密度，如何在重量更輕、體積更小的情況下，提高電池的能量密度，這已成為電池領域需要攻克的重大技術挑戰。
不久前，胡文彬領導團隊與合作者聯合攻關，在國際上首次提出鋰金屬電池電解液“離域化”設計理念，并研制出能量密度超過600瓦時/公斤的軟包電芯和480瓦時/公斤的模組電池，比傳統鋰電池的能量密度和續航能力直接提高了2~3倍。相關成果已經在《自然》在線發表。
胡文彬（中）與團隊成員 受訪者供圖
“偏科”的鋰金屬電池
當前，可充放電池的“主流”是鋰電池，這幾乎是一件眾所周知的事情。但很多人不知道的是，鋰電池還有一個全名——鋰離子電池。
“鋰離子電池的結構并不復雜，主要由某些氧化物材料構成的正極、石墨材料構成的負極，以及夾雜著鋰離子的電解液構成。”胡文彬團隊成員、天津大學材料科學與工程學院教授韓曉鵬說，鋰離子電池的充放電過程，其實就是鋰離子在正負極之間不斷嵌入和脫嵌的過程——充電時，鋰離子從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。
不難看出，決定鋰離子電池能量密度的重要因素，在于電池的正負極能夠容納多少鋰離子，而目前鋰離子電池能量密度不高的主要癥結就在于此。
韓曉鵬告訴記者，目前用來制作鋰離子電池負極的材料主要是石墨。這種材料有其優點，比如造價低廉、性能穩定且十分安全，但它的缺點也十分明顯——對鋰離子的容納能力不足。這直接導致電池能夠“充入”的電量不多，從而顯著影響電池的續航能力。
對此，目前科研人員已經研發出新的替代方案——鋰金屬電池。
“相較于鋰離子電池，鋰金屬電池最大的變化便是將負極的制作材料由石墨變為純金屬鋰。”胡文彬說，這一改變大幅度提升了負極對于鋰離子的容納能力，但同時也帶來了一系列新問題。
比如，鋰金屬的造價要比石墨高很多，且鋰元素的性質十分活躍，極易與周圍環境發生反應。“更重要是的，科研人員還要解決鋰負極與正極以及電解液之間的適配問題。”胡文彬說。
在這個問題上，目前傳統的電解液設計主要依賴溶劑主導或陰離子主導的溶劑化結構，很難同時兼顧電池能量輸出和循環壽命的提升要求。
“簡單來說，就是目前的電解液設計往往只能集中于電池的一種特性，即要么集中于提升電池容量，要么集中于提升電池的耐久度……總之，不能實現性能的全面兼顧。”韓曉鵬解釋說，這就好比是一個嚴重偏科的學生，只能有一科成績優秀，其他學科則十分平庸。
胡文彬團隊的目的就是想讓鋰金屬電池這名“偏科生”能夠“全面發展”。
顯著提升的電池性能
研究中，該團隊提出了一種全新的“離域電解液”設計理念，其核心思路是通過引入多樣化的電解液微環境，增加溶劑化環境的無序性，優化整體電解液性能。
“離域電解液主要由多種鋰鹽和溶劑組成，為了突破傳統電解液系統的局限，就要實現在溶劑化結構分布上的點、線、面的跨越，使鋰離子能在多個局部環境中協調，從而提高鋰離子的擴散性，提升電池整體性能。”韓曉鵬說。
為實現這一目的，研究人員借助人工智能，對近300種溶劑和100種鋰鹽的分子結構進行了計算和評估，根據評估結果對溶劑和鹽進行分類。通過分析，他們選取了表現最佳的類別，并將其用于離域電解液的設計。
為驗證離域電解液設計的有效性，研究團隊用這種電解液組裝了多款高能鋰金屬電池。在一系列測試中，電池成功實現了超過600瓦時/公斤的能量密度，這已經是目前世界范圍內能量密度最高的鋰金屬軟包電池，且經過100次循環后，電池的能量密度仍未出現明顯衰減。
“這足以證明了離域電解液顯著提升了電池性能，特別是在能量密度和循環穩定性方面的優越性。”韓曉鵬說。
在安全性方面，研究人員進行了一系列的熱失控和機械沖擊測試，結果表明，采用離域電解液的電池在熱和機械穩定性方面表現出更高的性能，且氣體釋放顯著少于現有的鋰金屬電池，顯示出更好的安全性。
用電池為產業發展“松綁”
為進一步驗證離域電解液在大規模應用方面的的潛力，研究團隊已經組裝了一臺3.9千瓦時的鋰金屬電池組。該電池組的能量密度達到了480.9 瓦時/公斤，并在25次循環后保持穩定性能。
受訪時，胡文彬表示，一旦這種大規模應用成為現實，將在很多方面為相關產業的發展“松綁”。
“目前，電池能量密度過度，續航力差的問題束縛著很多產業的發展。”他以手機為例解釋說，對于消費者而言，電池能量密度低導致很多手機最長也要一天充一次電，否則難以保證正常使用。但如果能將手機電池的能量密度提升，“一周兩充”將不再是奢望。
這還不是最重要的，因為電池能量密度還直接制約了手機屏幕的擴大以及相關程序的安裝量，畢竟過大的屏幕以及過多的程序會消耗更多電量。“但是，如果手機電池的電量可以提升兩到三倍，手機的未來發展將會得到比現在大得多的空間。”胡文彬說。
此外，伴隨著我國低空經濟產業的發展，無人飛行器的電量問題也將變得越來越明顯。“電量直接制約無人機的飛行里程，甚至引發‘里程焦慮’。”他說，類似情況也會出現在我們對于深海乃至太空的探索過程中，而解決這些“焦慮”的最主要途徑，就是在保持電池體積大體不變的前提下，大幅提升其能量密度。
“總之，隨著相關技術產業的快速發展，人們對于高能量電池的需求將會日益增加，而我們的高能鋰電池技術有望在這些領域提供更高效的能源解決方案，這也是我們未來將繼續努力的方向。”胡文彬說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09382-4
本文鏈接：新技術讓鋰金屬電池從“偏科”變“全能”http://www.sq15.cn/show-11-24805-0.html
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