在電化學儲能領域，界面電荷轉移往往是決速步驟。對于追求高能量密度的鋰金屬電池 (LMBs)而言，遲滯的界面動力學在超快充 (UFC)也就是15分鐘內充滿電的工況下，會引發嚴重的副反應和惡劣的表面形貌，典型的如鋰枝晶生長和死鋰堆積。

長期以來，業界在電解液設計上主要致力于優化Li+的體相傳輸或通過陰離子富集來調控固體電解質界面 (SEI)。然而，這些策略往往忽略了溶劑分子的空間電子結構對離子-溶劑復合物及界面電子轉移過程的決定性影響。傳統的觀點認為，增強溶劑化能力雖然有利于解離鹽，但會阻礙 Li+的去溶劑化和還原。

針對這一行業痛點，本文提出了一種革命性的電解液設計思路：通過重新設計溶劑分子結構，構建平面排列電子通道 (PAEC)，從而在根本上加速界面電荷轉移。

分子結構重塑：從無序到有序

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研究團隊設計了一種新型醚類溶劑1-甲氧基-3-(3-甲氧基丙氧基)丙烷 (MTP)。與傳統的乙二醇二甲醚 (G2) 等“甘醇”類溶劑不同，MTP 在相鄰氧原子間插入了一個額外的碳原子，形成了 (–O–CH2–CH2–CH2–O–) 鏈段。這種獨特的六元雙齒螯合環結構，使得 MTP 在與 Li+配位時，其氧原子的孤對電子 (LPEs)能夠形成獨特的平面排列構型。

超快充（UFC）鋰金屬電池與非同尋常的平面排列電子通道（PAEC）溶劑化構型

打破“強溶劑化-慢動力學”的魔咒

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這種PAEC構型極大地增強了孤對電子與 Li+之間的耦合。傳統的電解液設計中，強溶劑化通常意味著 Li+難以獲得電子被還原。然而，DFT 計算和單晶結構分析表明，MTP 分子中高度有序排列的 LPE 軌道與 Li+的空軌道實現了相干重疊，構建了類似于“分子級導線”的電子通道。

這種特殊的電子結構不僅沒有阻礙，反而促進了向 Li+的還原性電子轉移。實驗數據顯示，基于 MTP 的局部高濃電解液表現出極高的交換電流密度 (j0)（267.11 mA cm?2，遠高于 G2 基電解液的 179.50 mA cm?2），證明了其卓越的界面電荷轉移不僅動力學。

4C 超快充與實用化軟包電池性能

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為了驗證該策略在工業級應用中的潛力，研究團隊組裝了2 Ah 級的 Li || LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O2 (NM C811) 軟包電池。測試條件極其嚴苛：采用貧液（注液量 E/C = 0.80 g Ah?1）、超薄鋰箔，并在高電壓（4.5 V）下運行。

結果顯示，MTP 電解液能夠支持軟包電池在4 C的超高倍率下穩定循環，即在15 分鐘內完成 100% 充電。在此倍率下，電池的充電功率密度高達1,747.6 W kg?1，且在循環 100 次以上后仍保持極高的可逆容量和穩定性，未發生短路或容量跳水。相比之下，傳統的 G2 基電解液電池在 1 C 倍率下即因軟短路而失效。

實用化 Li||NMC811 軟包電池的電化學性能

行業啟示

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這項工作首次建立了溶劑化電子結構與界面電荷轉移通過動力學之間的直接聯系。通過PAEC溶劑化結構的設計，成功解決了鋰金屬電池在超快充和貧液等極端工況下的可逆性難題。這不僅為高比能鋰金屬電池的商業化應用鋪平了道路，也為其他金屬電池（如鈉電池）或合金負極的電解液分子工程設計提供了全新的范式。對于鋰電行業而言，這意味著在追求高能量密度的同時，不再需要以犧牲充電速度為代價，分鐘級快充的高能電池已現曙光。

原文參考：Molecularly aligned electron channels for ultrafast-charging practical lithium-metal batteries

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