当电动汽车6分钟就能充满电时，新能源转型将迎来跨越式发展。最近由哈尔滨工业大学（深圳）张嘉恒教授、朱振业副教授、王天生博士及其课题组其他成员一起在《Small》期刊上发表的研究论文为电池超快充带来了突破性解决方案。他们通过一种巧妙的“氧掺杂”分子设计，成功开发出新型电解质，使锂金属电池在10C超高倍率下循环1800次后仍能保持81.6%的容量。

1. 锂电池遭遇的电解质瓶颈

锂金属电池因为锂金属阳极的理论比容量高达3860 mAh/g，是传统石墨阳极的十倍以上，而备受关注。这意味着同样重量的电池，锂金属电池可以储存更多能量。

但目前商用的碳酸酯基电解质与锂金属阳极水火不容，会导致严重的副反应和锂枝晶生长。

更危险的是，在快充条件下，枝晶可能刺穿隔膜，造成电池短路，甚至引发热失控起火。这正是当前电池技术难以兼顾“高能量密度”与“快充安全”的核心难题。

对此，科研人员将目光投向了腈类溶剂。这类溶剂具有高介电常数和优异的抗氧化性。但问题在于，常规腈类溶剂如辛腈（ON）与锂金属接触时，会发生剧烈副反应，导致电池性能迅速衰减。

2. 腈类溶剂的分子级改造

研究团队的创新思路非常令人称赞。具体来说，他们在辛腈（ON）的碳链中引入氧原子，设计出一种全新溶剂分子：二乙二醇二丙腈醚DENE。

氧原子的加入非常关键，这可以从分子层面理解。原始ON分子中的负电荷主要集中在氰基（-C≡N）的氮原子上，这个位置容易与锂金属发生反应。而DENE分子中的氧原子引入后，负电荷被重新分布在氧和氮原子之间，形成了某种“分流”效应。

实验结果显示：将锂金属箔分别浸入ON和DENE中1小时后，ON中的锂箔表面明显变黑，出现大量腐蚀坑和裂纹；而DENE中的锂箔依然保持金属光泽，表面相对光滑。

通过XPS分析更是发现，ON浸泡后的锂箔表面检测到明显的氮信号，表明发生了副反应生成了含氮化合物；而DENE组则几乎没有氮信号。锂离子浓度测试显示，DENE中的锂离子浓度仅为0.18 mg/L，远低于ON的20.12 mg/L。

3. 机理揭秘

研究团队通过多种表征手段揭示了其中的机理。首先，理论计算显示，DENE的LUMO能级高于ON，意味着它更不容易获得电子被还原，从而降低了与锂金属的反应活性。

更重要的是，氧原子改变了锂离子的溶剂化结构。在传统ON基电解质中，锂离子主要与氰基的氮原子配位，这种直接接触容易引发副反应。而在DENE基电解质中，醚键中的氧原子也参与和锂离子的配位，形成了“竞争性配位”效应。

拉曼光谱分析证实，DENE基电解质中氰基与锂离子的配位比例从30.7%降至20.5%，而醚氧原子参与了其余配位。这种配位环境的改变，不仅减少了副反应，还促进了阴离子参与溶剂化鞘，有利于形成富含Li₃N的无机SEI膜。

分子动力学模拟进一步展现了这种差异：在DENE基电解质中，锂离子同时与氰基氮、醚氧以及阴离子配位，形成了更为复杂的溶剂化结构。这种结构不仅更加稳定，还显著提升了锂离子迁移数——DENE基电解质的锂离子迁移数高达0.72，远高于传统碳酸酯基电解质的0.32。

4. 性能突破

研究团队组装了Li||LiFePO₄电池，对DENE基电解质，标记为LDF，进行了系统评估。

结果：在10C的超高倍率下，这相当于6分钟充满电，电池初始容量达到82.23 mAh/g，经过1800次循环后，容量保持率高达81.6%，平均库仑效率接近100%。这一性能远超传统碳酸酯基电解质，后者在相同条件下仅600次循环后就几乎失效。

即使在更温和的1C倍率下，LDF组电池循环1000次后容量保持率也达到86.4%，显著优于ON基电解质的74.2%和碳酸酯基的16.8%。

更值得关注的是，研究团队还验证了在高负载正极（≈15 mg/cm²）和薄锂负极（30μm）的条件下，LDF电解质仍使电池在80次循环后保持97.9%的容量。而90 mAh的软包电池在低N/P比条件下循环15次后，容量保持率高达99.3%。

5. 安全性能验证

传统碳酸酯基电解质易燃易爆，是电动汽车安全隐患的主要来源。而DENE基电解质在这方面表现同样出色。

热重分析显示，加热至200°C时，LDF电解质质量保持率达85%，远高于LOF的75%和碳酸酯基的5%。DSC测试表明，LDF电解质的沸点高达345.9°C，而碳酸酯基仅为104.6°C。

最直观的燃烧测试中，碳酸酯基电解质接触明火后迅速燃烧，自熄时间长达80秒/g；而LDF和LOF电解质均未燃烧，展现了优异的阻燃性能。

6. 界面微观结构

研究团队通过高分辨TEM和XPS对电池循环后的电极界面进行了深入分析。结果发现，在DENE基电解质中形成的SEI（固体电解质界面）和CEI（正极电解质界面）膜薄而均匀，厚度仅约3.4nm。相比之下，碳酸酯基电解质形成的CEI膜厚达13nm，且不均匀；ON基电解质形成的CEI膜厚度也在3-10nm之间波动。

XPS分析进一步揭示了界面化学组成：DENE基电解质形成的SEI/CEI膜中含有丰富的Li₃N成分，这种离子导体具有良好的锂离子传导性，同时能抑制电子传导，从而有效保护电极材料。而碳酸酯基电解质形成的界面膜中则没有氮元素信号。

这种薄而均匀、富含无机物的界面膜，是实现高效锂离子传输和长循环稳定性的关键。它既能促进锂离子快速传输，满足快充需求，又能有效抑制副反应，延长电池寿命。

文献信息：

DOI: 10.1002/smll.202511420

文章来源：智理魔方

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