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「突破鋰金屬電池瓶頸：去局域化電解液設計實現600 Wh/kg能量密度」

 

 

圖靈學院
科楠老師
2025-8-20

 

一、引言：能源存儲的下一個戰場

 

    電動車與儲能市場持續擴張，推動全球對高能量密度電池的需求。傳統鋰離子電池已逼近性能極限，鋰金屬電池（LMBs）被視為突破口。然而，長期以來，電解液設計一直是LMBs商業化的最大障礙。

 

這篇發表於《Nature》的最新研究，提出一種「去局域化電解液設計」（delocalized electrolyte design），成功在鋰金屬軟包電池中達成 604.2 Wh/kg 與 618.2 Wh/kg 的能量密度，並在3.9 kWh電池組中維持 480.9 Wh/kg 的高能量密度與安全表現。這一成果不僅達到美國Battery500計畫的目標，更被視為推動下一代儲能革命的里程碑。

二、傳統電解液設計的困境

 

    目前的電解液設計多圍繞兩種「主導溶劑化結構」：

 

1. 溶劑主導（solvent-dominated）：

• 優點：Li⁺ 遷移率高。
• 缺點：形成有機SEI（固態電解質介面膜），導致界面導電性差，壽命受限。

 

2. 陰離子主導（anion-dominated）：

• 優點：生成無機富集SEI，提升穩定性。
• 缺點：限制Li⁺傳輸速率，導致容量衰減。

 

這種「非此即彼」的設計思維，使得LMBs難以在能量密度與循環壽命之間取得平衡。

三、去局域化電解液：新範式的提出

 

    研究團隊挑戰這種二元思維，提出「去局域化」設計。其核心概念是：

• 引入多元化的溶劑與鹽組合。
• 打破單一主導結構，形成高度無序的溶劑化微環境。
• 降低Li⁺脫溶能障，促進界面穩定性。

 

這種設計不再追求「最佳單一結構」，而是利用混合系統的熵效應，形成動態、穩健的電解液環境。

四、AI與數據驅動的材料篩選

 

    研究採用 288種溶劑與99種鋰鹽 作為候選，透過 DFT（密度泛函理論）計算 評估HOMO/LUMO能階、溶劑化能（Esolvation）、結合能（Ebinding）。

接著使用 K-means 機器學習聚類，將候選化合物分群，篩選出最具潛力的組合。

 

這種方法避免了傳統「試錯式」開發，大幅提升了新材料設計的效率。換句話說，這是一場由AI驅動的電池化學革命。

五、三種設計策略的比較

 

1. 局域化電解液（LE）

• 單鹽+單一或少數溶劑
• 結構單一，缺乏靈活性

 

2. 半去局域化電解液（SDE）

• 單鹽+多溶劑
• 溶劑多樣，但受限於鹽的固定結合能

 

3. 完全去局域化電解液（UDE）

• 多鹽+多溶劑
• 形成廣泛的「面狀」溶劑化結構，最大化無序度

 

實驗證明，UDE顯示出最廣泛的Li⁺ 配位距離分布，並透過同步輻射X光散射與拉曼光譜進一步確認其高度無序的結構。

 

圖1 三種電解液設計的對比：局域化（LE）、半去局域化（SDE）、完全去局域化（UDE）。UDE打破單一溶劑化結構，形成高度無序環境，提升鋰離子傳輸與界面穩定性。（Huang et al.2025)

六、性能驗證：從硬幣電池到軟包電池

 

圖2 使用去局域化電解液（UDE）的軟包鋰金屬電池，能量密度突破 600 Wh/kg，同時在多次循環後仍保持穩定容量，達到Battery500計畫設定的目標。（Huang et al.2025)

 

在硬幣電池階段，UDE已展現更高的Li⁺ 擴散係數與更穩定的SEI層。進一步擴展到 Ah級軟包電池，研究成果更具突破性：

• NCM811||Li 軟包電池（1.9Ah）

  - 能量密度：510.1 Wh/kg
  - 300循環後無明顯容量衰減

• Ni90||Li 軟包電池（5.5Ah，1.0 g Ah−1電解液）

  - 能量密度：604.2 Wh/kg
  - 循環100次後仍保持517.7 Wh/kg

• Ni90||Li 軟包電池（5.2Ah，0.9 g Ah−1超精簡電解液）

  - 能量密度：618.2 Wh/kg
  - 90循環後穩定表現。

 

這些數據已全面超越Battery500計畫提出的「500 Wh/kg」目標。

七、安全性測試：從單體到電池組

 

    能量密度再高，若安全性不足，仍無法推向市場。研究團隊進行了一系列嚴苛測試：

 

• 釘刺測試：UDE系統表現出更穩定的熱與機械行為，避免爆炸或劇烈反應。
• 質譜檢測：UDE產生的分解氣體與氧釋放量遠低於傳統電解液。
• 電池組裝測試：

  - 3.9 kWh電池組（24串2並配置），能量密度 480.9 Wh/kg。
  - 25次循環後仍輸出3.4 kWh有效能量。

 

這意味著UDE電池已具備實際應用於電動車與電網儲能的潛力。

八、電極與界面觀察

 

    研究進一步拆解循環後的電池，結果顯示：

• Li金屬負極：在UDE中厚度膨脹與孔隙率顯著降低，析鋰更均勻。
• NCM811正極：在UDE中僅形成2 nm重構層，而傳統電解液下則出現裂紋與晶格塌陷。
• SEI與CEI：UDE生成的界面層更薄、更緻密，且富含無機化合物如LiF、Li₃N，提升長壽命循環的穩定性。

 

圖3 傳統電解液下，鋰負極和NCM811正極出現膨脹與裂紋；使用去局域化電解液後，電極保持完整結構，顯示出更高穩定性。（Huang et al.2025)

 

九、影響與前景

 

1. 對電動車產業

• 若商業化，EV續航力將突破單次充電1000公里的門檻。
• 減少電池重量，有助於車輛設計與能效提升。

 

2. 對能源儲存

• 高能量密度意味著更小的體積即可提供相同儲能容量。
• 可應用於離岸風電與太陽能電網調節。

 

3. 對電解液設計方法學

• 去局域化策略與AI驅動篩選，將成為未來電池化學的新常態。

• 可延伸至鈉電池、固態電池等其他體系。

十、結論

 

1. 科學意義

 

這項研究是材料科學上的重大突破，也是能源轉型道路上的關鍵一步。透過「去局域化電解液」設計，並結合AI輔助的材料篩選，研究團隊首次證明鋰金屬電池（LMBs）能真正邁入 “600 Wh/kg 能量密度時代”，不再只是理論上的假設。

 

2. 產業意義

 

這一成果不僅突破了傳統電解液設計的瓶頸，更釋放出一個強烈的訊號：當人工智慧與材料科學結合，即使是困擾電池領域數十年的「老問題」，也能找到新解答。未來能源市場的格局，很可能因這種跨領域的方法而被改寫。「1000公里續航的電動車」不再是空想，而是可以被具體驗證的技術目標。

 

3. 商業化挑戰

 

能量密度並不是商業化的唯一條件。若要真正推向電動車與儲能市場，這類新型電池仍需跨越三道關卡： “長期壽命、安全性驗證、以及成本與製程可行性”。目前的成果更像是一具「概念車的引擎」——方向正確、潛力巨大，但要實際上路，仍需經過多輪產業化測試與放大驗證。

 

4. 延伸展望

 

 

若能逐步克服壽命與安全性的挑戰，去局域化電解液設計將不僅改變電動車市場，也可能率先應用於 “高端領域”：

• 航空電池與eVTOL：在重量高度敏感的應用場景，600 Wh/kg 電池能帶來革命性影響。
• 電網級儲能：更高能量密度意味著更少的空間與材料，即可支撐大規模再生能源調度。
• 軍用與高端裝備：對能量需求極高、又對可靠性要求嚴格的領域，這類電池將成為戰略資產。

 

這一研究已將高能量密度電池從實驗室推向現實，雖未達全面商業化，卻已為下一代能源技術奠定清晰藍圖。

參考來源

* Huang, H., Hu, Y., Hou, Y., Wang, X., Dong, Q., Zhao, Z., Ji, M., Zhang, W., Li, J., Xie, J., Guo, H., Han, X., Ouyang, X., & Hu, W. (2025). Delocalized electrolyte design enables 600 Wh kg−1 lithium metal pouch cells. Nature. [https://doi.org/10.1038/s41586-025-09382-4](https://doi.org/10.1038/s41586-025-09382-4) 
* Liu, Y. et al. (2022). Self-assembled monolayers direct a LiF-rich interphase toward long-life lithium metal batteries. Science, 375, 739–745.
* Kim, S. C. et al. (2023). High-entropy electrolytes for practical lithium metal batteries. Nat. Energy, 8, 814–826.
* Wang, Y. (2025). Application-oriented design of machine learning paradigms for battery science. NPJ Comput. Mater., 11, 89.