随着电动交通、低空飞行器和高端移动装备快速发展，兼具高比能、长寿命与高安全性的二次电池成为支撑相关技术升级的关键。锂金属负极具有高的理论比容量和低的电化学电位，被视为突破现有锂离子电池能量密度的重要材料。然而，锂金属强的还原性使其与常见电解液之间存在本征热力学不稳定性。在反复沉积和剥离过程中，电解液持续分解，导致活性锂与电解液不断消耗，并可能伴随枝晶生长及安全风险。围绕这一难题，研究者已发展高浓度电解液、局部高浓度电解液、弱溶剂化电解液和功能添加剂等多种策略，其共同思路通常是提高阴离子在锂离子溶剂化结构中的参与程度，促进形成富含LiF等无机组分的固体电解质界面膜（SEI）。但是，当溶剂化能力被削弱后，电解液往往又面临溶盐能力下降、组分混溶性变差甚至相分离等问题；与此同时，仅仅增加阴离子比例并不意味着阴离子能够快速、充分地在界面还原。现有电解液设计多聚焦于锂离子-溶剂配位或阴离子富集程度，对溶剂介质环境如何同时影响溶液相态、溶剂化结构、阴离子还原动力学和界面稳定性，仍缺少统一且可量化的认识。尤其是在低电解液用量、高面载量和有限锂源等接近实际应用的苛刻条件下，如何将分子尺度的电解液调控转化为安时级电池的稳定运行，是高比能锂金属电池走向应用必须解决的核心问题。
在这项研究中，浙江大学材料科学与工程学院陈立新教授、范修林教授团队从分子范德华表面静电势出发，提出分子极性指数描述符，建立了连接分子表面电荷分布、电解液组分混合、溶剂化结构与阴离子界面还原行为的电解液设计框架。在此基础上，研究团队提出“介质增强电解液”策略，并据此开发出多种高性能电解液体系，锂平均库仑效率超过99.5%。采用优化电解液的6 Ah Li||NCM811软包电池实现了约508 Wh kg-1的能量密度。进一步构建的16 Ah Cu||NCM955软包电池，其能量密度达到约550 Wh kg-1。
该研究成果于2026年7月7日在线发表于《Nature Nanotechnology》。浙江大学材料科学与工程学院张海阔、陈龙、华君逸为论文共同第一作者，李如宏研究员和范修林教授为共同通讯作者。研究得到浙江大学陈立新教授以及上海空间电源研究所李永、郭瑞博士，上海泰瑞锂电科技有限公司郭峰、乐超博士，中国科学院苏州纳米所沈炎宾研究员和上海交通大学邓涛副教授等的大力支持。
研究指出，电解液能否形成均一稳定的液相、阴离子能否进入Li+第一溶剂化壳层，以及阴离子能否在锂金属表面快速还原，本质上都与分子的表面电荷分布密切相关。团队利用分子表面静电势构建MPI、MNPI和MPPI描述符：MPI表征分子整体表面电荷分布的不均一性，可用于理解不同电解液组分之间的混合亲和力；MNPI描述分子负静电势区域的特征，反映溶剂与Li+的竞争配位能力；MPPI则描述分子正静电势区域的特征，关联溶剂与阴离子的相互作用。借助这三个指标，研究团队将多类分子置于统一性质图谱中，使溶盐能力、阴离子参与程度和相分离趋势能够在同一框架下进行比较（图1）。
图1 分子极性指数与电解液设计框架。
团队进一步发现，弱溶剂化虽然有利于阴离子进入Li+第一溶剂化壳层，但组分间相互作用不足可能引发相分离或盐析。为此，研究团队引入具有较高MPPI的“溶剂介质”，利用其表面分离电荷形成的分子间静电场，稳定阴离子富集的溶剂化结构，使多组分电解液形成均一单相。理论计算与模拟表明，该介质能够增强与FSI-的相互作用，削弱S-F键并降低LiF的生成能垒，从而改善电解液的混合热力学，促进阴离子优先还原和稳定界面相的形成（图2）。
图2 介质分子增强电解液的溶剂化调控机制。
为验证介质增强机制，团队从分子相互作用、离子输运和界面演化等多个层面进行了系统研究。结果表明，溶剂介质能够稳定阴离子富集的溶剂化结构，改善离子输运，并促进形成有利于Li+交换的稳定界面相。多种介质增强电解液展现出较高的锂库仑效率，表明该策略能够有效提升锂金属的可逆性（图3）。
图3 电解液物理化学性质与电化学行为。
多尺度界面分析表明，介质增强电解液能够促进阴离子充分分解，在锂金属表面形成均匀、稳定的无机界面层。该界面具有较高的力学模量，可促进锂致密沉积并抑制持续副反应。同时，该电解液还能够缓解高镍正极颗粒开裂和表面结构重构，促进形成稳定的正极界面膜，从而同步提升正、负极界面的稳定性（图4）。
图4 SEI演化与界面化学分析。
在安时级软包电池中，采用介质增强电解液的电池体系实现了超过500 Wh kg-1的能量密度（图5）。该研究从分子表面电荷分布出发，将电解液的混合热力学和反应动力学纳入统一设计框架，实现了稳定溶剂化、快速界面成膜与安时级电池稳定运行，为高比能锂金属电池电解液的理性设计提供了一种可能的分子尺度工具。
图5 高能量密度锂金属电池性能验证。
文章信息：Nature Nanotechnology volume 21, pages1164–1173 (2026)
