中科院青岛能源崔光磊/许高洁/崔子立最新Science子刊，从15200个分子中“捞”出最优解，628 Wh kg⁻¹超高压锂金属电池！

超高压锂金属电池的发展受限于缺乏高效的电解液材料开发指南，当前方法仍主要依赖低效的试错法。

基于此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊/许高洁/崔子立报道了一种高性能添加剂的设计与筛选策略。通过同时引入吸电子基团和给电子基团，诱导分子内电荷重分布并调控分子的电化学性质，作者构建了一个包含15,200个磷中心候选分子的库。通过无监督机器学习辅助筛选，识别出二氟频哪醇磷酸锂（LiDPFP）为最优候选。LiDPFP具有局域缺电子和富电子区域，可调控界面反应性并增强锂离子配位，促进接触离子对形成。这种独特结构导致形成富磷-氧聚合物的正极电解质界面和富Li₂O的固体电解质界面，有效抑制正极降解和锂枝晶生长。因此，组装的NCM811||Li电池在−40至80°C宽温域内、4.8 V下稳定循环。实用型4.7 V软包电池能量密度达628 Wh kg⁻¹，112次循环后容量保持80%。本工作将机器学习与分子设计相结合，为实用化超高能量密度锂金属电池提供了范式。

Fig. 1｜机器学习指导的分子设计与筛选流程
（A）设计原则（概念骨架）；（B）分子空间精炼（ML指导）；（C）评分至最终决策（选择）。

作者建立三阶段流程：理性分子构建→无监督ML筛选→综合评分。通过同时引入吸电子基团（–F、–CF₃、–CN）和给电子基团（–O、–CH₃），构建15,200个磷中心候选库。经预筛选、K-means聚类（K=5）和加权评分，最终锁定LiDPFP为Top 1。该流程兼顾理论性能与合成可行性。

Fig. 2｜分子设计与表征

（A）所研究盐阴离子的化学结构和静电势（ESP）比较；（B）HOMO/LUMO能级；（C）Li⁺结合能；（D）Li||SS不对称电池的LSV曲线，扫描速率1 mV s⁻¹；（E）RDF曲线和MD模拟快照；（F）Li||Cu不对称电池的CV曲线，扫描速率5 mV s⁻¹。

LiDPFP具有最窄HOMO-LUMO gap（0.13 eV）、最强Li⁺结合能（−1.41 eV）和高极化率。LSV显示其氧化稳定性提升；RDF表明Li-O配位更强；CV证实其抑制溶剂分解并促进SEI形成。

Fig. 3｜电化学性能评估

（A）NCM811||Li电池在4.7 V截止电压下的长循环性能；（B）相应充放电曲线；（C）不同电解液中NCM811||Li电池首次充电的原位EIS；（D）首次充放电曲线和原位DEMS信号；（E）4.8 V截止电压下NCM811||Li电池循环性能；（F）80°C下NCM811||Li电池（2.7–4.7 V）循环性能。

LiDPFP-E在4.7 V下循环300圈容量保持77%，LiPF₆-E仅71圈；4.8 V下100圈保持80%；80°C下100圈保持75%。原位DEMS显示LiDPFP-E显著抑制O₂释放，界面电阻稳定。

Fig. 4｜4.7 V超高压下NCM811晶体结构表征

（A、E）截面SEM；（B、C、F、G）HAADF-STEM图像；（D、H）体相和边缘区域水平线扫；（I、J）HEXRD Rietveld精修；（K）首次充放电过程中(003)反射的原位XRD。

LiPF₆-E体系正极严重开裂，表面形成约6 nm岩盐相，过渡金属迁移明显；LiDPFP-E体系保持完整层状结构，Li/Ni混排和氧空位更少，(003)峰偏移更小（1.29° vs 1.39°），晶格畸变降低。

Fig. 5｜CEI表征

（A、B）LiDPFP-E氧化产物的LC-QTOF-MS分析；（C）P 2p和（D）F 1s XPS；（E）CEI层示意图；（F）无锂Ni₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂超胞中TM迁移路径和能垒；（G）PDOS计算。

LiDPFP氧化生成P-O低聚物，形成富P-O聚合物和LiF的CEI。DFT表明P-O聚合物层显著提高TM迁移能垒，降低O 2p带中心，抑制氧释放和正极结构退化。

Fig. 6｜循环后锂负极表征

（A、C）Cu上沉积Li（4 mAh cm⁻²）的顶视SEM；（B、D）SEI的Cryo-TEM表征；（E）SEI的XPS表征；（F）LiDPFP与Li金属反应示意图；（G）相关反应副产物的Li SSNMR分析；（H、I）SEI的力-位移曲线，插图为3D AFM扫描；（J）不同电解液Li||Cu电池电压曲线。

LiDPFP-E实现均匀无枝晶Li沉积，SEI富含Li₂O纳米晶，粗糙度低（92 vs 170 nm），杨氏模量高（600 vs 302 MPa），Li⁺传输活化能低（31.54 vs 45.49 kJ mol⁻¹），库仑效率达99.74%。SSNMR证实LiDPFP与Li金属反应原位生成Li₂O。

Fig. 7｜超高压软包电池性能

（A）软包电池设计示意图；（B）超高压NCM811软包电池结构；（C）能量密度提升策略；（D）628 Wh kg⁻¹软包电池循环性能；（E）充放电曲线；（F）与代表性LMB软包电池性能对比。

通过去除Cu集流体、降低E/C至<1 g Ah⁻¹、提高截止电压至4.7 V，能量密度提升约40%。628 Wh kg⁻¹软包电池循环112圈容量保持80%；526 Wh kg⁻¹软包电池循环106圈容量保持80%，处于高能量密度LMB领先水平。

结论

在本研究中，作者成功将分子设计与无监督机器学习相结合，克服了超高压锂金属电池的界面不稳定性。通过构建基于分子内电荷重分布的候选库，并应用基于描述符的聚类，作者高效地识别出LiDPFP作为最优双功能添加剂。LiDPFP具有窄电化学窗口和增强的Li⁺配位能力，转化为独特的界面化学：富P-O聚合物的CEI抑制正极降解（过渡金属迁移、氧释放和电解液氧化分解）；富Li₂O的SEI稳定锂金属负极（无枝晶）。优异的CEI和SEI层可防止电解液与活性电极材料直接接触，从而赋予组装的LMBs优异的超高压耐受性。令人鼓舞的是，自制NCM811||Li电池在−40至80°C宽温域内、4.8 V下稳定循环。自制工业级4.7 V NCM811||Li软包电池能量密度达628 Wh kg⁻¹，首次实现超过100次循环（112次后容量保持80%），属于最佳高能量密度LMB性能之一。这些结果表明，将理性分子设计与数据驱动筛选相结合，为加速下一代高能量锂金属电池的开发提供了强大范式。

文献信息
Zhang et al., Intramolecular charge redistribution of phosphate anions enabling ultrahigh-voltage lithium metal battery of 600 Wh kg⁻¹

Science Advances, 2026, 12, eaei9659. 

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aei9659

文章来源：电解质前沿