摘要：2025年1月23日，电池大佬王春生教授在Nature Nanotechnology上发表了关于全固态锂金属电池的突破性研究，通过在固态电解质表面设计致密的LiF–LixPyOzFi层，抑制了锂枝晶生长并缓解了SSE的还原反应，显著提升了全固态锂金属电池的电循
2025年1月23日，电池大佬王春生教授在Nature Nanotechnology上发表了关于全固态锂金属电池的突破性研究，通过在固态电解质表面设计致密的LiF–LixPyOzFi层，抑制了锂枝晶生长并缓解了SSE的还原反应，显著提升了全固态锂金属电池的电循环寿命。
时隔2个多月，王春生教授再次在Nature Nanotechnology上发表了关于Li⁺电池的突破性研究，解决了传统双相电解质中相混合和界面阻抗高的难题。
成果简介
在锂基电池系统中使用水/非水双相电解质溶液，克服了水电解质溶液还原稳定性差的限制，拓宽了它们的电化学稳定性窗口。然而，当锂离子穿过双相界面时，水/非水电解质会产生双相混合和高阻抗。
针对该问题，美国马里兰大学王春生教授联合美国DEVCOM陆军研究实验室Oleg Borodin团队提出了一种基于锂离子载体设计的双相电解质体系，通过在水相和非水相中形成Li⁺(离子载体)纳米簇，成功解决了传统双相电解质中相混合和界面阻抗高的难题。
该电解质采用非极性溶剂1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚（TTE）与水相结合，形成H₂O排斥的Li⁺溶剂化结构，实现了快速的跨界面电荷传输。LiTFSI–12C4@TTE/H₂O电解质在TTE/水界面处的阻抗低至2.7 Ω cm⁻²，并在预锂化石墨||LiFePO₄纽扣电池中实现了2000次循环（850 mA g⁻¹），平均库仑效率达99.8%。单层22.5 mAh的Li||LiMn₂O₄软包电池在0.5 mA cm⁻²下循环80次后仍保持1.3 mAh cm⁻²的稳定放电容量。该双相电解质策略为高能量密度、高安全性锂基电池的设计提供了新思路。相关研究成果以“Li⁺ (ionophore) nanoclusters engineered aqueous/non-aqueous biphasic electrolyte solutions for high-potential lithium-based batteries”为题，于2025年4月8日发表在Nature Nanotechnology上。
作者简介
王春生，马里兰大学教授。1995年在浙江大学获得博士学位，随后在美国德州农工大学和田纳西理工大学担任教职，2007年开始在马里兰大学任教授。研究工作主要集中在新型二次电池和燃料电池领域，已在Science、Nature、Nature Mater.、Nature Chem.、Nature Energy、Nature Nanotech.、Nature Comm.等顶尖期刊上发表论文。
图1 锂离子载体双相电解质设计策略
图1展示了锂离子载体（如12C4）纳米簇工程化双相电解质的设计原理及电化学稳定窗口（ESW）。顶部示意图中，非水相（TTE）和水相通过离子载体形成稳定的Li⁺(12C4)纳米簇，避免溶剂混合；底部对比了水相、非水有机相和双相电解质的ESW（分别为3.0 V、4.0 V和4.9 V），并标注了典型电极材料（如石墨、LiFePO₄、LiMn₂O₄）的工作电位范围。双相电解质通过排斥水分子并形成LiF-rich SEI，将ESW扩展至0.0–4.9 V，为高电压正极（如LiMn₂O₄）与锂金属负极的兼容提供了可能。
图2 双相电解质的溶剂化结构
通过拉曼光谱（图2a）和分子动力学模拟（图2b-c）揭示了Li⁺在有机相中的溶剂化结构：随着Li⁺:12C4摩尔比增加，TFSI⁻的接触离子对（CIPs）和聚集态（AGGs）比例上升，自由12C4消失。核磁共振（图2d-f）表明12C4与Li⁺的配位强度高于H₂O，释放自由水分子。DFT计算（图2e）证实了Li⁺(12C4)结合能远高于Li⁺(H₂O)，验证了其抑制水穿梭的机制。
图3 双相电解质的电化学性质
图3a显示有机相中Li⁺电导率随盐浓度和Li⁺:12C4比例增加而提升，最高达0.58 mS cm⁻¹；水相黏度增加则略微降低离子传输（图3b）。双相界面阻抗随Li(12C4)TFSI浓度升高从116.5 Ω cm⁻²降至0.6 Ω cm⁻²（图3c），这是因为AGG的快速电荷转移。线性扫描伏安和循环伏安测试（图3d）验证了双相电解质0.0–4.9 V的宽ESW，支持高电压电池运行。
图4 在各种锂基电池配置中测试LiTFSI - 12C4@TTE/H2O双相电解质
图4a-b对比了Li||LiFePO₄电池在不同双相电解质中的循环性能：LiTFSI–12C4@TTE/H₂O在930次循环后容量保持72.3%，而DMC/DME基电解质迅速衰减。预锂化石墨负极电池（图4c-d）在850 mA g⁻¹下循环2000次后容量保持65.1 mAh g⁻¹。图4e-g显示Li||LiMn₂O₄电池在双相电解质中循环100次容量保持91.1%，软包电池循环80次后仍稳定。
图5 具有实用价值的普遍性
图5a-c对比了G4与12C4的溶剂化特性：G4基电解质因SSIP比例高（44%），离子电导率提升至1.5×10⁻³ S cm⁻¹。混合12C4-G4的电解质（图5d-f）在1.5 mAh cm⁻² Li||LiMn₂O₄软包电池中循环80次后容量保持率达95.8%，且锂金属负极无枝晶（图5g）。成本分析（图5h）表明该体系有望实现111.4美元/kWh，能量密度达651 Wh L⁻¹，接近商用锂离子电池水平。
结论展望
该项研究设计了一种4.9 V电化学稳定窗口的双相电解质体系，通过12C4和G4等锂离子载体抑制水穿梭效应并降低界面阻抗。该电解质与石墨或锂金属负极及LiFePO₄、LiMn₂O₄等正极匹配时，展现出优异的循环寿命和库仑效率。通过混合离子载体优化后的LiTFSI–12C4–G4@TTE/H₂O电解质在1.5 mAh cm⁻²高面积容量Li||LiMn₂O₄软包电池中循环80次后容量保持率达95.8%。该策略突破了传统单相电解质的局限性，但仍需在相稳定性、温度适应性和长期可靠性方面进一步优化，以推动其商业化应用。
文献信息
Zhang, X., Pollard, T.P., Tan, S. et al. Li+(ionophore) nanoclusters engineered aqueous/non-aqueous biphasic electrolyte solutions for high-potential lithium-based batteries. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01898-0
来源：MS杨站长