研究背景
鋰離子電池（Li-ion batteries, LIBs）是一類高能量密度儲能裝置，因其優異的能量輸出和較長的循環壽命，被廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車和大規模電網儲能等領域。
與傳統的非水系有機電解液相比，水系電解液因其本征的安全性更高而受到關注。然而，水的電化學穩定窗口（electrochemical stability window, ESW）僅為1.23 V，顯著限制了水系鋰離子電池的能量密度。此外，水系電解液在還原電位下易析氫，無法穩定配合石墨或金屬鋰負極，嚴重制約其應用。
為拓展水系電解液的應用邊界，科學家們發展了高濃度水中溶鹽體系（WiS），通過形成富含LiF的固態電解質界面（SEI）和抑制陽極副反應，將ESW拓展至3.0 V，甚至可在正極達到4.9 V（vs. Li|Li+）。盡管如此，WiS電解液在負極側依然存在較高的氣體副產物，且界面電阻較大，難以實現高效可逆的鋰離子傳輸。
在此，馬里蘭大學王春生團隊聯合美國陸軍研究實驗室Oleg Borodin團隊合作在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Li+(ionophore) nanoclusters engineered aqueous/non-aqueous biphasic electrolyte solutions for high-potential lithium-based batteries”的最新論文。該團隊提出利用12-冠-4醚（12-crown-4, 12C4）和四甘醇二醚（tetraglyme, G4）作為鋰離子載體，在疏水性非水溶劑TTE和水相之間構建出具有良好離子選擇性的雙相電解液體系（LiTFSI?12C4@TTE/H2O）。
其中，Li+(ionophore)納米簇結構有效排斥水分子，避免了有機相與水相的混合，并顯著降低了界面阻抗（低至2.7?Ω?cm?2）。在該體系中，預鋰化石墨||LiFePO4扣式電池可在850?mA?g?1的電流密度下實現2000次循環，平均庫侖效率達99.8%。同時，軟包電池測試也展現出優異的容量保持率與穩定性。
研究亮點
（1）實驗首次采用鋰離子載體（ionophore）設計策略，在水系/非水系雙相電解液體系中引入12-冠-4醚（12C4）和四甘醇二醚（G4），形成Li+(ionophore)納米簇，實現了鋰離子在雙相界面的快速高效轉運，顯著提升了電解液的還原穩定性和整體電化學窗口，電壓窗口拓展至0.0–4.9 V（vs. Li|Li?）。
（2）實驗通過將LiTFSI鹽、12C4與TTE和水組成雙相體系（LiTFSI?12C4@TTE/H?O），構建了具備水排斥型溶劑化結構的鋰離子納米簇，在保持相界面清晰的同時，抑制了水遷移和溶劑混溶，有效降低界面阻抗至2.7?Ω?cm?2。
該體系支持預鋰化石墨||LiFePO?扣式電池在850?mA?g?1電流密度下穩定循環2000次，平均庫侖效率高達99.8%。
進一步拓展至22.5?mAh的Li||LiMn?O?軟包電池時，亦能在0.5?mA?cm?2下穩定循環80次，放電容量約1.3?mAh?cm?2。
圖文解讀
圖 1：鋰離子載體雙相電解質設計策略
圖2：雙相電解質的溶劑化結構
圖3：雙相電解質的電化學性質
圖4：LiTFSI-12C4@TTE/H2O 雙相電解質的測試
圖5：具有實際價值的通用性
總結展望
本研究通過引入鋰離子載體分子（如12C4和G4），設計出具有高電壓窗口和低界面阻抗的水/非水雙相電解液體系，有效解決了傳統水系電解液還原穩定性差和相界面傳輸阻力大的問題。構建的Li+(ionophore)納米簇在非極性溶劑中展現出排水化Li+溶劑結構，實現了快速跨相遷移而無溶劑混溶或水遷移，突破了雙相體系中水/溶劑混溶的關鍵限制。該策略不僅在石墨或鋰金屬負極與LFP/LMO正極系統中實現了優異的循環穩定性與庫侖效率，還在軟包電池中展示了良好的實用性，啟示我們可以通過離子溶劑結構調控，實現界面過程優化和電解液功能化。未來，該設計有望拓展至金屬–空氣電池等領域，用于有效抑制水向金屬電極的遷移，為新型高能量密度儲能體系提供理論指導與材料策略。
原文詳情：
Zhang, X., Pollard, T.P., Tan, S. et al. Li+(ionophore) nanoclusters engineered aqueous/non-aqueous biphasic electrolyte solutions for high-potential lithium-based batteries. Nat. Nanotechnol. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41565-025-01898-0
