從智能手機到電動汽車，絕大多數電子設備都依賴傳統的鋰離子電池（LIBs）供電 。經過數十年的技術迭代，鋰離子電池的安全性、循環壽命已趨於成熟，成爲當下主流的儲能方案，但其能量密度已逐漸逼近物理極限，且在極端環境運行及超快充電場景下，鋰離子電池仍面臨充電速度慢、性能衰減快、安全隱患突出等諸多挑戰。
爲了突破這一瓶頸，科學家將目光投向了鋰金屬電池（LMBs）。作爲下一代高能量密度電池的核心候選技術，鋰金屬電池的理論能量密度可達 500 Wh/kg 以上，遠超傳統鋰離子電池，一旦實現實用化，有望讓電動汽車續航里程翻倍、便攜式設備充電頻率大幅降低。
但長期以來，鋰金屬電池始終被快充難題牢牢困住，無法走向規模化應用：快充時，電池內部跨界面的電荷轉移速度無法跟上充電節奏，進而引發兩大難題。
其一，鋰金屬負極表面會長出鋰枝晶（像樹枝一樣的鋰單質），還會產生 “死鋰”（沒用的鋰），不僅讓電池容量快速下降，還可能戳穿隔膜引發短路、起火，特別危險；其二，慢的電荷傳輸會引發各種副反應，讓電池的循環壽命大打折扣。
近日，來自中國科學技術大學任曉迪團隊、美國 SES AI 公司許康團隊在 Nature Energy 上發表成果，他們通過重新設計電解液裏的溶劑分子，讓鋰離子周圍的電子排成整齊的通道，大幅加速了鋰金屬電池的充電速度，最終在真實工業級的大軟包電池（2Ah 容量）上實現了 15 分鐘充滿電，而且還能比較穩定地循環。
SES AI 是全球鋰金屬電池領域的知名玩家，曾與通用、現代、豐田等車企合作。許康是鋰電池電解液領域的國際頂級專家，尤其在高電壓/高能量密度電解液、鋰金屬負極界面調控、固體電解質界面形成機制等方面有極高的影響力。
要解決上述問題，必須深入電化學反應的微觀邊界。研究人員從整個反應的限速步驟，也就是跨界面的電荷轉移入手。
在傳統的電解液體系中，鋰離子並非孤獨行進，而是被溶劑分子緊緊包裹着，形成溶劑化鞘層。傳統的醚類電解液雖然對鋰金屬具有較好的穩定性，但在超快充電下卻表現得十分遲鈍。這是因爲在微觀電子結構層面，傳統溶劑分子與鋰離子的耦合通常呈現出雜亂的、空間錯位的分佈。
當電子試圖通過這些錯位的軌道流向鋰離子時，會遇到極大的阻力，導致電荷轉移效率極其低下。這種遲緩的動力學會引發一系列連鎖反應：界面電荷堆積、不均勻的沉積形態，以及在鋰表面形成的脆弱、易碎的固體電解質界面膜（SEI）。在快充的壓力下，這些 SEI 膜會因爲體積膨脹而破裂，進一步加速電解液的消耗和枝晶的瘋狂生長。
圖 | 鋰金屬電池中超快電荷轉移操作的挑戰（來源：上述論文）
此次研究的核心突破，在於團隊跳出了微調電解液濃度、添加輔助添加劑的傳統研究框架，選擇從分子層面重新設計電解液的溶劑分子結構。
他們設計併合成了一種名爲 MTP 的新型醚類溶劑分子。這種分子的突破性創新點在於其獨特的六元螯合環結構。相比於傳統的五元環結構，MTP 分子能引導鋰離子與溶劑分子中的孤對電子形成一種特殊的平面配位結構，研究團隊將其命名爲 PAEC（平面排列電子通道），相當於給電荷和鋰離子鋪了條“專屬高速路”，改變了傳統電解液中電荷傳輸雜亂無章的狀態。
PAEC 結構對電荷傳輸的優化作用，主要體現在兩個關鍵方面：一方面，它讓溶劑分子的電子雲與鋰離子的空軌道在空間上實現高度重疊，讓電子能夠快速、順暢地從電極流向鋰離子，電荷轉移效率呈幾何級數提升；另一方面，電子傳遞效率的大幅提升，使得鋰離子在接觸鋰金屬負極的一瞬間，就能快速獲得電子並還原爲金屬鋰，大大降低了界面處的反應能壘（即電荷轉移需要克服的能量障礙），從根本上解決了電荷堆積的問題。
通過多種先進表徵技術，研究團隊進一步驗證了 PAEC 結構的作用機制：這種整齊的電子通道能夠顯著抑制局部電荷過度集中，引導鋰離子在鋰金屬負極表面以致密、均勻的方式平鋪生長，而非雜亂生長形成鋰枝晶，從源頭上遏制了鋰枝晶的萌發和“死鋰”的產生，同時保護 SEI 膜的完整性，減少副反應的發生。
研究人員在工業級 2Ah 鋰金屬軟包電池上進行測試，該電池採用鎳鈷錳 NMC811 正極，是手機/電動車常用的電芯規格。
實測數據顯示，這款搭載 PAEC 電解液的工業級軟包電池，在 4C 超高倍率下，該電池能夠在 15 分鐘內實現 100% 充滿；其充電功率密度達到了 1747.6 W/kg，這一數值在目前全球已報道的鋰金屬電池研究中，處於行業天花板水平，完全滿足手機、電動汽車等設備對快充功率的實際需求。
更重要的是，該電池在快充狀態下能夠保持穩定循環：在 2C、3C、4C 等不同快充倍率下，電池循環超過 100 次後，容量保持率仍維持在較高水平，沒有出現明顯的衰減，解決了傳統鋰金屬電池快充與長壽命不可兼得的痛點。
同時，循環測試後，研究人員通過表徵發現，電池內部的鋰金屬負極表面依然平整，沒有出現明顯的鋰枝晶生長和“死鋰”堆積，SEI 膜保持完整，進一步證明了 PAEC 結構能夠長期穩定地保護電池內部結構，保障電池的安全和壽命。
更有意義的是，這種 PAEC 結構的普適性也得到了驗證。研究顯示，該設計同樣能加速鈉離子的界面電荷轉移，並能應用於硅基等合金負極體系，這爲未來更廣泛的電化學系統設計提供了通用的策略。
未來，基於這一思路，科學家有望設計出更多高性能電解液，推動鋰金屬電池、鈉離子電池等多種新型儲能器件的技術升級，加速下一代高能量密度、超快充電電池的產業化進程。
參考鏈接：
1.Ruan, D., Chen, S., Guo, J. et al. Molecularly aligned electron channels for ultrafast-charging practical lithium-metal batteries. Nat Energy (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01961-z
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