电池快充瓶颈如何破解？《自然-能源》研究给出新思路

研究背景

高能电池快充是电气化交通等高功率应用的一大挑战。随着充电电流增大，电池过电位容易超出电解质的电化学稳定窗口，引发不良副反应并降低循环稳定性。过去提升快充能力主要有两种途径：通过优化电极结构将过电位降到最低，或是通过调控电解质组成拓宽电化学稳定窗口。然而，这些策略无法解决快充和能量密度之间的内在矛盾。问题的根源在于电解质固定的电化学稳定窗口与电池在充电过程中不断增加的过电位不匹配。为同时实现高能量密度和快充性能，需要开发一种能够在充电过程中实时扩展电化学稳定窗口的自适应电解质。

解决方案

来自马里兰大学的研究团队设计了一类自适应电解质，其电化学稳定窗口能在充电过程中动态扩展。该电解质为盐、抗氧化溶剂和抗还原溶剂的三元混合物，当系统休眠时在浊点以均相存在。在充电时，盐浓度梯度引起溶剂析出效应（也称盐析效应），触发相分离。抗氧化溶剂具有比抗还原溶剂更强的盐亲和力，因此抗氧化溶剂富集在正极，而抗还原溶剂富集在负极。这种空间再分布使局部化学环境能够耐受氧化和还原应力，有效地实时拓宽了电化学稳定窗口（图1）。与必须在阳极和阴极稳定性之间进行折中的传统电解质不同，这类电解质能动态适应电极状态，在不牺牲能量密度的前提下实现水系锌金属电池和非水系锂金属电池的高倍率稳定运行。

论文表1：自适应电解质电化学稳定窗口的动态扩展。

光谱分析证实溶剂在充电过程中再分布，在相反的电极富集。其分离程度随充电电流的增大而加深，电极附近的局部环境抑制了关键寄生反应，如水系电解质中的析氢反应。这些观测结果证实相分离由热力学驱动，电解质具有自适应功能，能在充电过程中动态扩展电化学稳定窗口。相较于传统电解质，这种自适应电解质表现出更强的稳定性，在快充状态下实现了更高的库仑效率（在5 mA cm^-2的电流密度下，锌沉积/剥离的库仑效率为99.8%）。重要的是，该策略在水系锌金属电池和非水系锂金属电池中均得到验证，凸显了这种设计框架的通用性和多功能性。

未来方向

这项研究突破了传统的、基于静态分子性质的电解质设计，引入了一种动态电流响应型范式——电解质组成可在时间和空间上重组，以满足局部电化学需求。自适应电解质的概念有望扩展到锌金属电池和锂金属电池以外的应用。例如，自适应电解质可能适用于高电压锂离子化学体系或多价电池——阳极和阴极稳定性不匹配仍是其主要障碍。结合相行为的电解质设计也为提升各种电化学器件的稳定性、可逆性和高倍率性能提供了一种通用框架。

然而，研究团队尚未厘清溶剂再分布的精细尺度动态过程，以及液-液界面的详细结构。自适应电解质中间相（如固态电解质中间相或阴极-电解质中间相）的形成和演化亦不明确。此外，重复充放电循环对相稳定性、成分滞后和界面老化的长期影响有待系统研究。

今后的工作将聚焦于在工作状态下对自适应电解质界面过程的表征，以及将该策略扩展到凝胶样体系。在实际充电协议下开展大规模软包电池验证也是后续的重要工作。

“电解质设计是电池性能提升的关键，但目前仍然缺少创新解决方案，特别是在高能电池快充领域。这项工作介绍了一种具有动态扩展电化学稳定窗口的自适应电解质，为解决快充挑战提供了一种有效的方法。”

——《自然-能源》编辑团队

原文以Dynamically expanding the electrochemical stability window during charging为标题发表在2025年7月4日《自然-能源》的Research Briefing版块上

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