锂金属电池电解液设计策略！天津大学韩晓鹏，最新AM综述！

传统锂离子电池受限于石墨负极的理论容量（372 mAh g⁻¹），其实际能量密度已逼近350 Wh kg⁻¹的极限，难以满足下一代长续航交通和航空航天领域对500 Wh kg⁻¹以上能量密度的迫切需求。锂金属负极凭借3860 mAh g⁻¹的超高理论容量和-3.04 V的低氧化还原电位，成为实现这一目标的最有力候选。然而，锂金属的高反应活性导致其与传统电解液相容性差，引发锂枝晶生长、界面持续副反应和库仑效率低下等问题。这些挑战在500 Wh kg⁻¹以上的严苛工程约束下被急剧放大，包括极低电解液用量（E/C < 1.6 g Ah⁻¹）、高面容量正极（> 10 mg cm⁻²）和有限锂过量（N/P < 2）。电解液作为离子传输和界面反应的核心介质，成为决定高能锂金属电池能否实际应用的关键瓶颈。

2026年6月30日，天津大学韩晓鹏教授在《Advanced Materials》上发表了题为“Advanced Electrolyte Materials Design for High‑Energy Lithium Metal Batteries Beyond 500 Wh kg⁻¹”的综述论文。该综述系统梳理了高能锂金属电池在电解液化学、电极-电解液界面和实际工程应用三个层面面临的耦合挑战，明确了理想电解液应具备的溶剂化结构调控、界面稳定性与工程适配性三大核心特征，并围绕氟化电解液、高浓度/局部高浓度电解液、功能添加剂和新型电解液体系四条主线，全面总结了近年来电解液设计的代表性进展。

在氟化电解液方面，综述指出氟化溶剂和锂盐通过促进LiF富集的离子导通界面形成，显著提升了电解液的氧化稳定性和界面稳定性。代表性氟化碳酸酯（FEC、DFEC）、氟化醚（F3DEE、F4DEE、F5DEE）以及新型氟化锂盐（LiDFSI、LiSTFSI）等体系，均在高电压和贫电解液条件下展现出优异的循环稳定性。高浓度电解液（HCE）通过将盐浓度提升至3~5 mol L⁻¹以上，驱动溶剂化结构从溶剂主导的溶剂分离离子对（SSIP）向阴离子主导的接触离子对（CIP）和聚集体（AGG）转变，从而形成阴离子衍生的无机富集界面。局部高浓度电解液（LHCE）引入非配位稀释剂（如TTE、BTFE），在保持局部高浓度溶剂化结构的同时降低体相黏度，兼顾了界面稳定性和离子传输效率。基于LHCE策略，已有研究实现了510.3 Wh kg⁻¹和508.5 Wh kg⁻¹的锂金属软包电池。功能添加剂方面，单功能SEI或CEI添加剂（如m‑Li₂ZrF₆、2‑TFMBA）和双功能添加剂（如FS、DFEPN）均被证实可有效调控界面化学，其中DFEPN兼具阻燃特性，实现了安全与性能的协同提升。

在新型电解液体系中，综述将进展归纳为两个方向。其一为物理性质调控型电解液，包括热响应电解液（可使热失控触发温度提升34.5°C）、高熵电解液（通过熵增调控离子分布）和微乳液电解液（通过界面张力调控组分分布）等。其二为溶剂化结构定制型电解液，包括紧密离子对聚集体电解液、归一化亲和力范式指导的电解液以及离域电解液。其中离域电解液通过消除特定溶剂化结构的支配性，在软包电池层面实现了超过600 Wh kg⁻¹的能量密度，在电池包层面达到480 Wh kg⁻¹，代表了该领域的前沿突破。此外，综述系统介绍了AI驱动的电解液发现和多尺度表征方法：机器学习结合高通量筛选可高效探索高维组分空间；原位/非破坏性表征技术（如光纤红外光谱、冷冻电镜、冷冻XPS）和超声成像、原位压力监测等宏观表征手段，为电解液行为与界面演化的实时解析提供了关键实验支撑。

1、系统定义了500 Wh kg⁻¹以上锂金属电池对电解液的三大核心要求：溶剂化结构调控、界面稳定性与工程适配性，建立了完整的电解液设计理论框架。

2、全面梳理了氟化体系、高浓度/局部高浓度、功能添加剂及新型电解液四类策略，揭示了溶剂化结构从SSIP向CIP/AGG转变对界面化学的决定性影响。

3、介绍了AI驱动电解液发现与多尺度表征的协同研究范式，涵盖从分子动力学模拟到软包电池验证的完整设计链条，为高能锂金属电池电解液开发提供了系统方法论。

图1 高能锂金属电池电解液设计中的挑战示意图

图2 高能锂金属电池电解液中代表性氟化碳酸酯、氟化醚和氟化锂盐的化学结构

图3 锂金属电池中的高浓度电解液和局部高浓度电解液

图4 功能性电解液添加剂

图5 物理性质调控的新型电解液

本综述系统阐明了高能锂金属电池在500 Wh kg⁻¹以上能量密度目标下电解液设计面临的核心挑战与应对策略。电解液通过溶剂化结构决定体相离子传输和界面去溶剂化行为，而SEI和CEI的动态演化则直接控制界面阻抗、锂沉积均匀性和电解液消耗速率。在贫电解液、高载量正极和有限锂过量的严苛约束下，电解液的稳定性与离子传输效率直接决定了电池的循环寿命与安全性。综述从氟化策略、浓度调控、功能添加剂和新型体系四个维度系统归纳了最新进展，并强调了AI驱动筛选与多尺度表征相结合的研究范式对未来电解液理性设计的关键价值。该工作为面向500 Wh kg⁻¹以上高能锂金属电池的电解液材料开发提供了系统的理论指导和实践参考。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.73805

文章来源：新能源前沿