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王春生教授，最新Science！

高分子科学前沿

2025-11-14

导读：揭示电解液中一个被忽视 30 年的关键因素，助力动力电池 13 分钟充到 80%在新能源汽车时代，“能不能更快

揭示电解液中一个被忽视 30 年的关键因素，助力动力电池 13 分钟充到 80%

在新能源汽车时代，“能不能更快充满”几乎成为所有动力电池技术的核心竞争力。然而，想把一块高能量密度的锂电池在十几分钟内充到80%以上，难度远比想象更大。长期以来，科研界把矛头主要指向电极结构：缩短锂离子传输路径、减薄电极、提升孔隙率等，但这些手段往往以牺牲能量密度为代价，带来了“变快但不耐跑”的尴尬局面。事实上，即便保持原本的厚电极结构，即使再提高导电性与离子传输速度，真正阻碍快充的根源依旧存在——但它一直被忽视。

在此，马里兰大学王春生教授团队的研究指出，厚电极的快充瓶颈不在电极本身，而在电解液：溶剂被锂离子“拖走了”。研究团队首次系统揭示了“电渗拖拽”现象在锂电池快充中的核心阻碍作用：在高倍率充电时，大量锂离子从正极涌向电解液，它们会携带 3–4 分子溶剂一起迁移，使电极孔道内的溶剂被疯狂抽离。对于厚电极来说，溶剂补不上来，就会出现“溶剂枯竭”，导致严重极化、反应受阻，以至于快充性能崩塌。这，也许正是多年来各种改良快充策略仍难突破能量密度限制的底层原因。

针对这一瓶颈，研究团队提出了一种全新的电解液设计理念：弱化锂离子溶剂化 + 增强阴离子溶剂化 = 减少溶剂前向拖拽 + 增强溶剂反向补给。他们通过在溶剂分子上引入“二氟甲基基团”，同时利用其强吸电子能力降低碳yl氧的路易斯碱性，使 Li⁺ 不再紧紧抓着溶剂；而二氟甲基上氢原子的低电子云密度又使其成为极佳的氢键供体，能与 FSI⁻ 等阴离子形成强作用，从而增强阴离子溶剂化。最终形成一类“二氟化电解液”，在不改动厚电极设计的前提下，让一颗 4 Ah、能量密度 252 Wh/kg 的 NMC811 pouch 电芯，在 12.8 分钟内充到 80%！相关成果以“Electrolytes that reduce electro-osmotic drag improve fast charging of lithium-ion batteries”为题发表在《Science》上，Chang-Xin Zhao为第一作者。

厚电极快充失败的真正元凶——溶剂被 Li⁺ 拖走了

在图1A中，研究团队用一张示意图把问题的核心讲得清清楚楚：在传统的碳酸酯电解液里，锂离子在迁移时总会携带一群溶剂分子一起前进，这种“拖溶剂同行”的行为便是电渗拖拽。当充电倍率一旦超过 4C，正极孔道里的溶剂补不上被拖走的速度，就像海水被抽干一样，局部会出现溶剂枯竭，这不仅会让界面反应受阻，还会引发强烈极化，直接限制快充性能。而在（图1B）中，当溶剂被二氟取代后，情况完全不同了。由于 Li⁺ 溶剂化变弱，它携带溶剂的能力下降；而阴离子被增强溶剂化后，它反而会把溶剂“拉回来”补充孔道缺口。两股力相互抵消，让电极内部维持稳定溶剂环境。简单说：以前溶剂只会被 Li⁺ 往外拖，现在多了阴离子把它拉回来。

图 1：电渗拖拽机制及二氟电解液的设计理念

首次利用中子成像，看见“溶剂真的被拖走了”

为了证明厚电极在快充时确实出现溶剂迁移与枯竭，团队使用了对溶剂极敏感的中子成像技术。在图2A中，我们能看到一段非常具有冲击力的变化：在“放电态”溶剂分布均匀；快充时，中子信号明显增强，表示溶剂含量急剧下降；休息后信号恢复，说明这不是电极体积变化，而是真实的溶剂流失；当施加反向电流时，溶剂又被推回孔道，这就是溶剂被 Li⁺“一把拽走”的直接证据。图2B进一步展示了他们利用有限元分析（FEM）重建的溶剂迁移路径：电极内部出现沿电场方向的“溶剂流”。而图2C则模拟显示，一旦充电倍率超过 4C，溶剂浓度会像沙漏一样越来越低，直到完全枯竭。为量化这一现象，团队利用 DART-MS（图2D、图2E）测得 EC 的电渗拖拽系数约为 2.9，这意味着每一个 Li⁺ 在迁移时几乎要带走三分子溶剂。快充做不快，原来不是锂离子跑不动，而是溶剂先被抽空了。

图 2：中子成像与质谱证实溶剂迁移与拖拽系数

厚电极快充的“物理极限线”被描绘出来了

在（图3A）中，研究者建立了一个描述“Li⁺ 枯竭时间”与“溶剂枯竭时间”的数学模型。更惊人的发现来自（图3B）：右侧蓝色区域：溶剂不枯竭，电池能正常快充；左侧粉色区域：溶剂开始枯竭，电渗拖拽极化接管主导；这条分界线首次清晰定义了一个全新的快充极限。接下来的（图3C–3F）进一步揭示几个关键规律：电极越厚、负载越高，溶剂越容易被拖空，电极压得越实（低孔隙/高致密），溶剂补给越困难。想通过提高孔隙率来缓解拖拽虽有效，但会降低能量密度换句话说，传统通过“改电极结构”提升快充性能的策略，始终无法彻底解决溶剂迁移这一根本问题。

图 3：电渗拖拽极化的电极依赖性与物理极限线

二氟化电解液结构设计、机理与应用的完整闭环

图 4 展示了二氟化电解液从分子结构设计到实际快充表现的完整逻辑链条。研究团队先通过核磁等表征证明二氟甲基是理想的氢键供体，能够显著增强阴离子溶剂化作用；与此同时，随着氟原子数增加，溶剂对锂离子的配位能力明显减弱，最终形成“二氟最优”的独特溶剂化平衡。更令人振奋的是，当这种电解液被应用于一颗 4 Ah、252 Wh/kg 的工业级 NMC811 欠压袋电芯时，电池在保持厚电极结构完全不变的前提下，实现了 12.8 分钟充到 80%、14.7 分钟充到 90%，并在 4C 充电条件下稳定循环 200 次的突破性表现。对于传统厚电极体系来说，这些指标几乎被认为是不可能完成的任务，而该工作用一种精准调控溶剂化结构的电解液，第一次让厚电极真正进入了高能量密度与高倍率快充兼得的时代。

图 4:二氟化电解液的溶剂化调控与快充表现

小结

过去十几年里，电池快充的研究几乎都集中在“让锂离子在电极里走得更快”这一思路上，例如降低电极曲率、提高孔隙率或直接减薄电极，但这项工作首次指出厚电极快充真正的瓶颈并不在于锂离子的路径，而在于溶剂在高倍率充电时被大量拖拽流失。电渗拖拽这一被忽视已久的效应极可能是众多快充策略始终难以突破的根本原因。研究不仅给出了最直接的可视化证据，还提出了分子层面的解决方案：通过调控锂离子与阴离子的溶剂化平衡，让溶剂保持“进去得快、出来得慢”，从源头上避免溶剂枯竭带来的极化问题。更重要的是，这种思路并不局限于锂电池，只要涉及“离子迁移 + 孔道结构”的体系，如超级电容、电化学分离或固液界面工程，都可能同样受到溶剂拖曳的制约。未来，基于氢键调控、超分子结构设计或离子通道工程的新型电解液或许将推动快充技术迈入全新的发展阶段。

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