锂金属电池（LMBs）是一种高能量密度储能技术，因其在消费电子、智能电网和电动汽车等领域的应用前景而备受关注。与传统的锂离子电池相比，LMBs 具有更高的理论比容量（3,860 mAh g⁻¹）和更低的电化学电位（−3.04 V vs. 可逆氢电极），在提高电池能量密度方面具有巨大优势。然而，LMBs 仍面临严重的锂枝晶生长、循环寿命短以及安全性问题，导致热失控和电池失效。因此，如何在提升循环稳定性的同时兼顾高倍率性能和安全性，成为LMBs商业化应用的关键挑战。
为了解决这一问题，首尔大学Jiheong Kang团队和加利福尼亚大学Yuzhang Li等人携手在Nature Energy期刊上发表了题为“Miniature Li+ solvation by symmetric molecular design for practical and safe Li-metal batteries”的最新论文。
该团队创新性地设计了一种基于对称有机盐的电解质体系，通过引入1,1-二乙基吡咯烷鎓双（氟磺酰）亚胺（Pyr₂(2)FSI）离子塑料晶体（IPC），实现了对Li+溶剂化结构的精准调控。该策略通过减弱溶剂化Li+中的过度阴离子聚集，形成微型阴离子-Li+溶剂化结构，从而降低脱溶剂化能垒，并促进Li+的快速传输。此外，该电解质可诱导形成富含无机纳米晶（Li₃N、Li₂O和LiF）的稳定固态电解质界面（SEI），有效抑制锂枝晶生长，提高电池的循环稳定性。
实验结果表明，该对称IPC基电解质体系支持高倍率充放电性能，Li‒Li对称电池可在10 mA cm⁻²下稳定循环，Li‒NCM811全电池在7.6 mA cm⁻²（2C倍率）下实现稳定循环，且NCM811软包电池在高功率密度（639.5 W kg⁻¹）下循环150次后仍保持87.4%的容量。更重要的是，该电解质体系具有良好的热稳定性和非易燃特性，使得软包电池在钉刺测试中仍能保持安全稳定，避免热失控。该研究为开发兼具高安全性和高倍率性能的LMBs提供了一种可行策略，为下一代高能量密度电池的实际应用奠定了基础。
图1：基于离子材料的电解质中改进的Li+溶剂化结构及SEI演变。
图2：基于离子材料的电解质的溶剂化结构。
图3：SEI成分与结构表征。
图4：基于离子材料的电解质的电化学分析。
图5：全电池性能及滥用测试。
本文设计微型阴离子-锂离子溶剂化结构并通过对称有机盐的引入，成功解决了锂金属电池中常见的阴离子簇聚问题，从而显著提升了Li+的导电性和去溶剂化性能。这一创新的溶剂化结构为高倍率充电和长周期稳定性提供了理论依据。其次，稳定的固态电解质界面（SEI）对锂金属电池的安全性至关重要。通过精确控制阴离子在锂金属界面的分布，均匀的无机成分（如Li3N、Li2O和LiF）形成了强有效的锂金属钝化层，进一步提高了电池的安全性和耐滥用性能。
最后，本研究不仅展示了电解液在高倍率循环中的应用潜力，也证明了其在实际应用中满足了高安全性要求，具有广泛的应用前景。这一设计思路为未来锂金属电池的安全性、性能及其在高能量密度储能系统中的应用提供了新的发展方向。
Jang, J., Wang, C., Kang, G. et al. Miniature Li+ solvation by symmetric molecular design for practical and safe Li-metal batteries. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01733-9