去局域化电解质设计实现600 Wh kg⁻¹锂金属软包电池

原文标题:Delocalized electrolyte design enables 600 Wh kg−1 lithium metal pouch cells

本研究提出了一种去局域化（delocalized）电解质设计策略，突破了传统锂金属电池（LMBs）中依赖主导溶剂化结构的局限性，成功实现了高能量密度与优异循环稳定性的协同优化。该工作为下一代高能储能技术的发展提供了关键突破。

1. 研究背景与挑战

• 锂金属电池因其远超传统锂离子电池的能量密度，被视为电动交通和先进储能系统的理想选择。
• 当前瓶颈在于电解质设计受限于局域化的溶剂化结构：
  • 溶剂主导型溶剂化结构虽有利于锂离子迁移，但易形成有机为主的固态电解质界面（SEI），导电性差；
  • 阴离子主导型可形成富含无机物的稳定SEI，但会抑制体相中锂离子传输。
• 两者之间的内在权衡限制了性能提升，亟需新的设计范式。

2. 创新方法：去局域化电解质设计 研究人员提出通过构建高度无序、多样化的溶剂化微环境，打破对单一主导结构的依赖，实现动态势垒降低和界面稳定。

人工智能辅助材料筛选

• 基于密度泛函理论（DFT）计算分析了288种溶剂和99种锂盐的关键物理化学参数（如HOMO/LUMO能级、Li⁺结合能等）。
• 引入K-means聚类算法进行无监督机器学习筛选，识别出具备优良氧化还原稳定性及适中Li⁺相互作用能力的目标溶剂和盐类。

三种去局域化程度的设计

1. 局域电解质（LE）：单盐+1–3溶剂 → 点状溶剂化结构
2. 半去局域电解质（SDE）：单盐+多种氟化碳酸酯溶剂 → 线状分布
3. 超去局域电解质（UDE）：多盐+多溶剂组合（含氟化硼酸盐、磺酸盐等）→ 面状宽分布，消除主导结构

UDE通过引入多重溶剂化能级和配位模式，形成热力学更稳定的复杂溶剂化网络，并以构型熵（Sconfig）作为量化指标评估去局域化程度。

3. 结构表征与机制验证

• 分子动力学模拟显示UDE具有最广的Li-Li径向分布函数（RDF）峰（3.4–8.3 Å），表明溶剂化环境高度多样化。
• 同步辐射广角X射线散射（WAXS）证实UDE在低Q和高Q区均呈现显著展宽，反映介观团簇多样性与局部结构无序增强。
• NMR与拉曼光谱进一步支持UDE中存在更广泛的溶剂-离子相互作用状态。

4. 电化学性能表现 使用UDE1电解质组装的高负载、贫液软包电池展现出卓越性能：

此外，在NCM811||Li体系中：

• 1.9 Ah软包电池实现510.1 Wh kg⁻¹初始能量密度，300圈无衰减；
• 满足美国“Battery500”项目目标。

5. 安全性与实际应用验证

• 钉刺测试显示UDE电池温升更低、应变更小，表现出优异的热机械稳定性。
• 原位差分电化学质谱表明UDE分解产气更少，晶格氧释放被有效抑制。
• 成功集成3.9 kWh NCM811||Li电池包（24串2并）：
  • 能量密度达 480.9 Wh kg⁻¹
  • 在70–104 V电压范围内稳定运行25次循环，输出3.4 kWh电量
  • 标志着从实验室向电动运输、电网储能等实际场景的重大迈进

6. 界面化学分析

• 后循环拆解分析显示：
  • UDE形成的SEI更薄、均匀且富含LiF、Li₂N、LiB₂O₄等无机成分；
  • CEI同样致密稳定，有效保护高压正极，抑制裂纹与相变（层状→尖晶石/岩盐）。
• 从头算分子动力学（AIMD）模拟揭示UDE促进快速脱溶和可控分解，减少副反应，形成低阻抗、高可逆界面。

7. 结论与意义

• 提出并验证了去局域化电解质设计新范式，摆脱对传统主导溶剂化结构的依赖。
• UDE通过多组分协同调控，兼顾高离子传导、低脱溶能与稳定界面，实现>600 Wh kg⁻¹级软包电池与Pack480级电池包。
• 该策略不仅适用于锂金属电池，也为其他高能可充电电池系统的电解质工程提供了变革性框架。

关键词
锂金属电池；高能量密度；去局域化电解质；机器学习筛选；贫液设计；SEI/CEI调控；电池包集成；Battery600目标