两种原本不能用的溶剂混合后……锂金属电池寿命延长近3倍[读懂科学]

将两种被认为不适用于锂金属电池的溶剂混合后，电池寿命反而延长了近3倍。这两种溶剂单独使用时会过度束缚锂离子，妨碍充放电；而它们相互结合后，锂离子变得更容易脱离溶剂。韩国研究团队通过颠覆传统电解液设计理念的方法，成功延长了下一代电池的使用寿命。

采用协同溶剂化电解质的锂金属电池性能对比。与传统电解质相比，其充放电寿命延长约3倍，锂在负极表面沉积得更加均匀。产气和电解质消耗也大幅减少，电池稳定性得到提升。研究团队供图

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蔚山科学技术院（UNIST）12日表示，由能源化学工程系教授Song Hyeon-gon和韩国科学技术院（KAIST）新材料工程系教授Seo Dong-hwa共同组成的研究团队，开发出一种可将锂金属电池充放电寿命延长约3倍的电解液。研究结果于2025年8月11日发表于国际学术期刊《ACS Nano》。

与目前广泛使用的锂离子电池不同，锂金属电池以锂金属代替石墨作为负极。它能够在相同重量下储存更多电能，因此备受关注，被视为下一代高容量电池。不过，在充放电过程中，锂金属会与电解液发生不必要的反应，导致电池容量迅速下降。尤其是在为了储存更多能量而采用高电压充电时，这一现象会更加严重。

研究团队将碳酸乙烯酯和环丁砜按3比7的比例混合，再加入锂盐和少量添加剂，制成了新型电解液。

人们原本认为，这两种溶剂都会与锂离子紧密结合，难以用于锂金属电池。充电时，锂离子必须摆脱周围的溶剂分子，并以金属形态沉积在负极表面。但如果溶剂紧紧束缚锂离子，这一过程就难以顺利进行，导致锂沉积不均匀，并因与电解液发生副反应而造成电池容量下降。

研究团队将两种溶剂混合后，结果与预期相反。溶剂分子彼此吸引，反而减弱了它们对锂离子的束缚力。这样一来，锂离子便能轻松摆脱溶剂，并均匀沉积在负极表面。

研究团队将这一现象称为“协同溶剂化”。溶剂化是指溶剂分子包围锂离子的现象；这一名称意味着，两种溶剂会相互影响，从而调节它们与锂离子的结合状态。

实验也证实了电池性能有所提升。新开发的电解液初始库仑效率达到98.24%，平均库仑效率达到99.35%。库仑效率是衡量充电时沉积的锂在放电时能够回收多少的指标。数值越高，意味着充放电过程中损耗的锂越少。

研究团队将新开发的电解液用于高镍正极电池，并对其性能进行了比较。在25℃条件下充电至4.5伏特的测试中，电池经过约150次充放电后，仍能保持约80%的初始容量。

相比之下，使用传统碳酸酯类电解液的电池仅约50次循环后，容量就降至初始容量的80%以下。也就是说，在相同条件下，充放电寿命延长了约3倍。研究还发现，电解液分解产生的气体，以及正极中的镍溶出情况都有所减少。

UNIST研究团队照片。左为教授Song Hyun-gon，研究员Hong Jin-ki。UNIST供图

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这项研究的意义在于，无需依赖昂贵的含氟溶剂或高浓度锂盐，仅通过组合现有溶剂就改善了电池性能。不过，充放电150次对于实际应用于电动汽车或储能系统而言仍有局限。还需进一步验证电池能否在长期使用、不同温度以及快速充电等条件下保持性能。

第一作者Hong Jinki研究员表示：“将结合力强的两种溶剂混合，反而削弱它们与锂离子的结合，这是一种颠覆传统电解质设计理念的新设计原理。”“除了锂金属电池，这一方法也有望用于提升商用锂离子电池的电解液性能。”

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蔚山科学技术院教授Song Hyeon-gon表示：“我们没有依赖昂贵的含氟溶剂或高浓度锂盐，而是利用商用溶剂提升了电解液性能。”“这有望帮助用于储能系统和电动汽车的高容量锂金属电池延长使用寿命。”

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