能量密度达394 Wh kg⁻¹！5C下稳定循环5000次！武汉大学李喆珺，最新AM！

随着电动汽车和储能系统对能量密度要求的持续提升，高电压正极材料如LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄（LNMO，工作电压4.7 V）和高压LiCoO₂（LCO）的应用受到广泛关注。然而，传统碳酸酯电解液在高电压下易发生氧化分解，同时在低温条件下离子电导率急剧下降，严重制约了电池的功率性能和循环寿命。如何打破电解液在高电压稳定性、低温性能和快速离子传输之间的固有权衡，成为锂离子电池领域的关键挑战。

2026年7月24日，武汉大学李喆珺教授在《Advanced Materials》上发表了题为“A Microscopic Heterogeneous LiBO₂-Mediated Electrolyte for High-Voltage and Low-Temperature Lithium-Ion Batteries”的研究论文，提出了一种基于胶体界面化学的微观非均相电解液设计策略。该工作通过在商业碳酸酯基线电解液（BE，1 M LiPF₆ in EC/EMC）中引入偏硼酸锂（LiBO₂）颗粒，形成稳定的胶体悬浮液。LiBO₂胶体表面配位不饱和位点具有强路易斯酸性，能够与PF₆⁻阴离子和溶剂分子发生竞争性配位，从而弱化Li⁺-溶剂/阴离子相互作用，加速配体交换动力学。研究团队通过DFT计算证实，LiBO₂的晶格能（262.39 kcal mol⁻¹）远大于Li⁺和BO₂⁻在电解液中的溶剂化能（分别为-64.31 kcal mol⁻¹和-53.17 kcal mol⁻¹），这种巨大的能量不匹配强烈抑制了LiBO₂的完全离子解离，使其主要以悬浮亚微米颗粒形式存在。丁达尔效应和超过1个月的静置无沉淀观察证实了该胶体体系优异的稳定性。

拉曼光谱和核磁共振分析表明，LiBO₂的引入使电解液中Li⁺-EC和Li⁺-PF₆⁻的特征振动峰发生红移，表明Li⁺-溶剂和Li⁺-阴离子相互作用被显著削弱。分子动力学模拟进一步证实，LBME中Li⁺的配位物种停留时间显著缩短，配体交换动力学加速。得益于溶剂化结构的调控，LBME的离子电导率从BE的10.0 mS cm⁻¹提升至14.8 mS cm⁻¹，Li⁺迁移数从0.20提高至0.34。温度依赖的电化学阻抗谱分析表明，LBME将Li⁺去溶剂化活化能降低了22%。

在5.0 V超高压条件下，Li||LNMO电池采用LBME电解液在5C倍率下经过5000次循环后容量保持率高达99.1%，平均库仑效率超过99.6%。而BE基电池在300次循环后仅保留53.5%的容量。在-30°C低温下，LBME基Li||LNMO电池在5.0 V下经过300次循环后仍保持97.7%的容量。高角环形暗场扫描透射电镜和X射线光电子能谱分析显示，LBME在LNMO正极表面形成了富含LiF、B-F和B-O组分的薄而均匀的无机富集型CEI层，杨氏模量达到3.65 GPa，远高于BE基CEI的0.61 GPa。这种机械强度优异的CEI有效抑制了过渡金属溶出和晶格氧损失，保持了正极材料的结构完整性。

该策略的实用性在工业级软包电池中得到了验证。1 Ah石墨||NCM811软包电池在500次循环后容量保持率为87.8%，能量密度达301 Wh kg⁻¹。5 Ah级硅碳||NCM90软包电池实现了394 Wh kg⁻¹的能量密度，120次循环后容量保持率达89%。

1、提出微观非均相电解液设计策略，利用LiBO₂胶体界面化学调控Li⁺溶剂化结构，加速配体交换动力学，离子电导率提升至14.8 mS cm⁻¹。

2、LBME使Li||LNMO电池在5.0 V超高压、5C倍率下实现5000次循环99.1%容量保持率，并在-30°C低温下保持72%室温容量，突破高压稳定与低温性能瓶颈。

3、LBME诱导形成富含LiF和B-F/B-O组分的无机富集型CEI，杨氏模量达3.65 GPa，并在1 Ah和5 Ah级软包电池中验证了工业实用性。

图1 LBME中LiBO₂胶体的微观非均相溶剂化结构及离子电导率优化

图2 LBME中Li⁺溶剂化结构的弱配位环境及加速的配体交换动力学

图3 LBME基电解液的电化学性能

图4 Li||LNMO电池在5.0 V下的长循环性能及倍率性能

图5 LBME在LNMO正极表面形成的无机富集型、高机械强度CEI层

图6 LBME在石墨||LCO、石墨||LNMO全电池及工业级软包电池中的实用化验证

本研究报道了一种微观非均相LiBO₂介导电解液（LBME），通过胶体界面化学调控Li⁺溶剂化结构，实现了高压稳定性、低温性能和快速离子传输的协同突破。LBME中稳定的LiBO₂胶体通过表面配位不饱和位点竞争性配位，弱化了Li⁺-溶剂/阴离子相互作用，将离子电导率提升至14.8 mS cm⁻¹，并将Li⁺去溶剂化活化能降低22%。在5.0 V超高压下，Li||LNMO电池实现了5000次循环99.1%的容量保持率；在-30°C低温下仍保持72%的室温容量。该策略在1 Ah石墨||NCM811和5 Ah硅碳||NCM90软包电池中均验证了优异的实用化前景，为高比能、长寿命锂离子电池电解液设计提供了新思路。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.74257

文章来源：新能源前沿