在電動交通、低空經濟等新興產業爆發式增長的當下，傳統鋰電池的續航焦慮日益凸顯。近日，天津大學材料學院教授胡文彬、韓曉鵬團隊聯合西北核技術研究院研究員、中國工程院院士歐陽曉平，特種化學電源全國重點實驗室高級工程師郭灝研發出革命性的“離域化”電解液體系，將金屬鋰電池能量密度提升至600瓦時/公斤，較現有商用電池續航能力提升3倍。該成果8月13日發表于國際期刊《自然》，標志著我國在全球高能電池賽道實現從跟跑到領跑的關鍵跨越。
續航焦慮日益凸顯
“新興產業的爆發式增長，對電池性能提出了前所未有的要求。”胡文彬介紹，電動交通工具需要更長續航里程。低空經濟中的無人飛行器對輕量化、高能量密度電源需求迫切，綠色儲能領域更是需要高效穩定的能量存儲方案。
然而，當前廣泛應用的傳統鋰離子電池，已逐漸顯露出“力不從心”的疲態。目前商用鋰離子電池的能量密度普遍停留在200—300瓦時/公斤，已無法滿足無人機、高端電動車等場景對電池長續航、輕量化的需求。
以低空經濟為例，根據中國民航局最新數據，2023年我國民用無人機市場規模已突破1200億元，但無人機飛行時間普遍局限在30—60分鐘。“電池重量占無人機重量的30%—40%。能量密度不足直接限制了其作業半徑和載荷能力。”胡文彬說。同樣，在電動汽車領域，消費者對續航里程的焦慮仍未消除。盡管主流車型續航里程已達500—700公里，但冬季衰減、快充損耗等問題依然突出。
傳統鋰離子電池的能量密度和性能已接近理論極限。相比之下，鋰金屬電池憑借其遠超傳統鋰離子電池的理論能量密度，被寄予厚望。胡文彬進一步解釋：“鋰金屬的理論比容量是現有石墨負極的10倍以上。采用鋰金屬作為負極的電池，理論上能實現能量密度的跨越式提升。”
“這不僅是技術升級的需要，更是產業發展的必然選擇。”胡文彬認為。巨大的技術潛力與迫切的產業需求形成的強大合力，推動著全球科研力量加緊攻關，力求在新一代高能二次鋰電池的研發上實現關鍵性突破，為新興產業持續發展注入強勁動力。
新設計理念突破傳統限制
面對傳統鋰電池的技術瓶頸，天津大學聯合科研團隊創新性提出高能二次金屬鋰電池“離域化”電解液設計理念，突破傳統溶劑化結構的限制。
“傳統鋰電池所使用的電解液配方較為單一。這種高度結構化的體系限制了鋰離子的反應行為。”韓曉鵬介紹，傳統電解液依賴單一溶劑主導結構，鋰離子在其中的傳輸與反應行為和界面穩定性難以精準調控，導致電池能量密度、循環壽命和安全性難以平衡。
為破解這一難題，研究團隊依托天津大學學科優勢，強化材料科學、電化學、人工智能、儲能等多學科交叉融合，構建了電解液溶劑和鋰鹽組分高通量篩選平臺，并將先進算法與篩選平臺融合，大幅縮短電解液體系研發周期。同時，團隊積極開展國際合作與產學研協同創新，與新加坡國立大學、特種化學電源全國重點實驗室及多家國內頭部企業加強合作，聯合開展關鍵技術攻關，推進原始創新與工程化應用。
團隊的核心創新在于打破了傳統電解液對單一溶劑主導結構的依賴。“通過引入多組分體系，我們構建了更加自由、多樣且無序的溶劑化微環境，顯著提升了電解液的成分多樣性和冗余度。”韓曉鵬解釋，這種設計為鋰離子在復雜微觀環境中的高效傳輸提供了有利條件，并實現了對電極反應行為和界面穩定性的精準調控。
團隊結合多種高分辨光譜技術與多尺度理論模擬手段，從分子層面深入揭示了“離域化”電解液的作用機制：它能有效降低鋰離子遷移能壘，同時抑制電極界面副反應，提高反應可逆性，從而在提升能量密度的同時，保障電池的循環壽命和安全性。
依托這一關鍵創新，團隊率先在國際上研制出能量密度超過600瓦時/公斤的金屬鋰軟包電芯及超過480瓦時/公斤的模組電池，核心性能指標較現有主流鋰離子電池提升2—3倍，為高能電池技術的實用化邁出了關鍵一步。
產業化進程加速
目前，這項原創性技術已從實驗室走向產業化應用階段。研究團隊依托天津大學國家儲能技術產教融合創新平臺和貴金屬功能材料全國重點實驗室等國家級科研平臺，積極推進科研成果的技術轉化與應用驗證，已建成具備自主知識產權的高能二次金屬鋰電池中試生產線。
在應用場景方面，該技術已率先在我國三款型號的微型全電無人飛行器上實現實裝應用，展現出“一克電池飛一公里”的卓越輕量化續航能力。“實裝測試顯示，搭載該電池的無人飛行器巡航時間較現有主流電池提升約2.8倍，獲得了整機單位和用戶單位的一致認可。”胡文彬介紹。
值得關注的是，團隊已系統掌握高能二次金屬鋰電池在“電解液—電極—電芯”全鏈條中的關鍵核心技術。生產線具備高一致性、高可靠性的批量化制備能力，初步構建起面向規模化生產的工程體系，其所需的關鍵原材料與工藝流程均實現自主可控。
“中試生產線預計將于今年下半年實現全面投產運行，有望為新一代高能量密度儲能系統的大規模應用提供堅實支撐。”胡文彬說。
展望未來，該技術在航空航天、新能源汽車、低空經濟、消費電子、人工智能等多個前沿領域展現出廣闊應用前景。它不僅能推動飛行器、電動車及高性能電子設備在輕量化、長續航等關鍵方向實現跨越式發展，還將帶動材料、制造、裝備等上下游產業協同升級，支撐綠色能源體系構建和智能制造能力提升，服務國家“雙碳”目標、“新質生產力”發展戰略和能源結構轉型，助力我國在全球新能源技術競爭中搶占戰略高地。
在電動交通、低空經濟等新興產業爆發式增長的當下，傳統鋰電池的續航焦慮日益凸顯。近日，天津大學材料學院教授胡文彬、韓曉鵬團隊聯合西北核技術研究院研究員、中國工程院院士歐陽曉平，特種化學電源全國重點實驗室高級工程師郭灝研發出革命性的“離域化”電解液體系，將金屬鋰電池能量密度提升至600瓦時/公斤，較現有商用電池續航能力提升3倍。該成果8月13日發表于國際期刊《自然》，標志著我國在全球高能電池賽道實現從跟跑到領跑的關鍵跨越。
續航焦慮日益凸顯
“新興產業的爆發式增長，對電池性能提出了前所未有的要求。”胡文彬介紹，電動交通工具需要更長續航里程。低空經濟中的無人飛行器對輕量化、高能量密度電源需求迫切，綠色儲能領域更是需要高效穩定的能量存儲方案。
然而，當前廣泛應用的傳統鋰離子電池，已逐漸顯露出“力不從心”的疲態。目前商用鋰離子電池的能量密度普遍停留在200—300瓦時/公斤，已無法滿足無人機、高端電動車等場景對電池長續航、輕量化的需求。
以低空經濟為例，根據中國民航局最新數據，2023年我國民用無人機市場規模已突破1200億元，但無人機飛行時間普遍局限在30—60分鐘。“電池重量占無人機重量的30%—40%。能量密度不足直接限制了其作業半徑和載荷能力。”胡文彬說。同樣，在電動汽車領域，消費者對續航里程的焦慮仍未消除。盡管主流車型續航里程已達500—700公里，但冬季衰減、快充損耗等問題依然突出。
傳統鋰離子電池的能量密度和性能已接近理論極限。相比之下，鋰金屬電池憑借其遠超傳統鋰離子電池的理論能量密度，被寄予厚望。胡文彬進一步解釋：“鋰金屬的理論比容量是現有石墨負極的10倍以上。采用鋰金屬作為負極的電池，理論上能實現能量密度的跨越式提升。”
“這不僅是技術升級的需要，更是產業發展的必然選擇。”胡文彬認為。巨大的技術潛力與迫切的產業需求形成的強大合力，推動著全球科研力量加緊攻關，力求在新一代高能二次鋰電池的研發上實現關鍵性突破，為新興產業持續發展注入強勁動力。
新設計理念突破傳統限制
面對傳統鋰電池的技術瓶頸，天津大學聯合科研團隊創新性提出高能二次金屬鋰電池“離域化”電解液設計理念，突破傳統溶劑化結構的限制。
“傳統鋰電池所使用的電解液配方較為單一。這種高度結構化的體系限制了鋰離子的反應行為。”韓曉鵬介紹，傳統電解液依賴單一溶劑主導結構，鋰離子在其中的傳輸與反應行為和界面穩定性難以精準調控，導致電池能量密度、循環壽命和安全性難以平衡。
為破解這一難題，研究團隊依托天津大學學科優勢，強化材料科學、電化學、人工智能、儲能等多學科交叉融合，構建了電解液溶劑和鋰鹽組分高通量篩選平臺，并將先進算法與篩選平臺融合，大幅縮短電解液體系研發周期。同時，團隊積極開展國際合作與產學研協同創新，與新加坡國立大學、特種化學電源全國重點實驗室及多家國內頭部企業加強合作，聯合開展關鍵技術攻關，推進原始創新與工程化應用。
團隊的核心創新在于打破了傳統電解液對單一溶劑主導結構的依賴。“通過引入多組分體系，我們構建了更加自由、多樣且無序的溶劑化微環境，顯著提升了電解液的成分多樣性和冗余度。”韓曉鵬解釋，這種設計為鋰離子在復雜微觀環境中的高效傳輸提供了有利條件，并實現了對電極反應行為和界面穩定性的精準調控。
團隊結合多種高分辨光譜技術與多尺度理論模擬手段，從分子層面深入揭示了“離域化”電解液的作用機制：它能有效降低鋰離子遷移能壘，同時抑制電極界面副反應，提高反應可逆性，從而在提升能量密度的同時，保障電池的循環壽命和安全性。
依托這一關鍵創新，團隊率先在國際上研制出能量密度超過600瓦時/公斤的金屬鋰軟包電芯及超過480瓦時/公斤的模組電池，核心性能指標較現有主流鋰離子電池提升2—3倍，為高能電池技術的實用化邁出了關鍵一步。
產業化進程加速
目前，這項原創性技術已從實驗室走向產業化應用階段。研究團隊依托天津大學國家儲能技術產教融合創新平臺和貴金屬功能材料全國重點實驗室等國家級科研平臺，積極推進科研成果的技術轉化與應用驗證，已建成具備自主知識產權的高能二次金屬鋰電池中試生產線。
在應用場景方面，該技術已率先在我國三款型號的微型全電無人飛行器上實現實裝應用，展現出“一克電池飛一公里”的卓越輕量化續航能力。“實裝測試顯示，搭載該電池的無人飛行器巡航時間較現有主流電池提升約2.8倍，獲得了整機單位和用戶單位的一致認可。”胡文彬介紹。
值得關注的是，團隊已系統掌握高能二次金屬鋰電池在“電解液—電極—電芯”全鏈條中的關鍵核心技術。生產線具備高一致性、高可靠性的批量化制備能力，初步構建起面向規模化生產的工程體系，其所需的關鍵原材料與工藝流程均實現自主可控。
“中試生產線預計將于今年下半年實現全面投產運行，有望為新一代高能量密度儲能系統的大規模應用提供堅實支撐。”胡文彬說。
展望未來，該技術在航空航天、新能源汽車、低空經濟、消費電子、人工智能等多個前沿領域展現出廣闊應用前景。它不僅能推動飛行器、電動車及高性能電子設備在輕量化、長續航等關鍵方向實現跨越式發展，還將帶動材料、制造、裝備等上下游產業協同升級，支撐綠色能源體系構建和智能制造能力提升，服務國家“雙碳”目標、“新質生產力”發展戰略和能源結構轉型，助力我國在全球新能源技術競爭中搶占戰略高地。
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