锂金属负极与高镍正极的配对被视为有望突破500 Wh kg-1能量密度门槛的组合。在逼近如此高的能量密度时，必须采用能够同时稳定负极和正极界面相的电解液，以确保安全且长周期的循环。
尽管阴离子衍生的无机界面相已在锂负极侧取得显著成功，但开发能够同时保护两极的本征策略仍是关键挑战。
2025年7月16日，华中科技大学袁利霞、黄云辉，浙江大学陆俊在国际知名期刊Nature发表题为《Liquid–liquid interfacial tension stabilized Li-metal batteries》的研究论文，Haijin Ji、Jingwei Xiang、Yong Li、Mengting Zheng为论文共同第一作者，袁利霞、黄云辉、陆俊为论文共同通讯作者。
在此，本文提出了一种用于电解液设计的微乳液策略，该策略绕过了锂离子（Li+）溶剂化调节，能够为正负极生成富含氟化物的界面相。
具体而言，是胶束与碳酸酯溶剂之间的液-液界面张力，而非电场，推动含氟液滴向负极和正极运动。通过这种方式，可以增强对两极界面相的构建，并使其与溶剂化结构策略脱钩。
使用该微乳液电解液后，能量密度分别为531 Wh kg-1和547 Wh kg-1的两个软包全电池，在分别经过189次和155次循环后，仍能保持81%和79%的容量。
液-液界面张力的引入，为界面相调控和电解液设计提供了新视角，为高电压锂金属电池的发展铺平了道路。
图1： 微乳液电解液工程策略及安时级Li||NCM811软包电池的电化学性能。在充电过程中，基于锂离子溶剂化策略（a）和微乳液策略（b）的电解液中Li+传输行为及随后正极和负极界面演变的示意图。HCE表示高浓电解液；LHCE表示局部高浓电解液；SSIP表示溶剂分离离子对；CIP表示接触离子对；AGG表示聚集态。（c）在2.8–4.5 V电压范围内，采用BO/TTE/PFP电解液的Li||NCM811软包电池的循环性能。插图：软包电池的光学图像以及本研究中调查的主要电池参数。（d）采用BO/TTE/PFP 电解液的7.2 Ah Li||NCM811软包电池的充放电曲线。（e）文献和本工作中安时级Li||NCM软包电池的先进性能对比。（f）采用BO/TTE和BO/TTE/PFP电解液的软包电池在循环后的厚度变化。
图2：电解液及电极–电解液界面的结构表征。（a）BO/TTE与BO/TTE/PFP电解液的cryo-EM图像。NCM811正极分别与BO/TTE 电解液（b）和BO/TTE/PFP电解液（c）形成界面的cryo-EM图像。（d）从NCM811正极/电解液界面到BO/TTE/PFP电解液体相的拉曼光谱（色标：红色表示高强度，蓝色表示低强度）。（e）从锂金属负极/电解液界面到BO/TTE/PFP电解液体相的拉曼光谱。（f）从正负极/电解液界面到BO/TTE电解液体相的拉曼光谱。（g）不同PFP浓度电解液以及与NCM811正极浸泡后的BO/TTE/PFP电解液的紫外–可见光谱。（h）BO/TTE/PFP电解液与NCM811正极界面在充放电过程中的原位拉曼光谱。标尺：500 nm（a，左），100 nm（a，右、b、c）。
图3：采用微乳液电解液的电池电化学性能。（a）不同电解液条件下Li||NCM811电池在3.0–4.5 V电压区间内的循环性能。（b）使用BO/TTE/PFP电解液的电池在对应循环中的电压–容量曲线。在3.0–4.5 V电压区间内，Li||NCM811电池采用BO/TTE/PFP电解液的倍率性能（c）及其对应的电压–容量曲线（d）。（e）不同电解液条件下，Li||NCM811电池在3.0–4.7 V电压区间内的循环性能。（f）采用不同电解液的Li||Cu半电池的时间–电压曲线。（g）由（f）计算得到的平均库仑效率；柱高表示四个平行电池的平均值。在BO/TTE（h）与BO/TTE/PFP（i）电解液中，Li||NCM811电池循环时的原位核磁共振信号数据集。
图4：电极–电解液界面表征。在BO/TTE（a）和BO/TTE/PFP（c）电解液中循环100次后NCM811正极的FSEM横截面图像。 在BO/TTE（b）和BO/TTE/PFP（d）电解液中形成的正极CEI的HRTEM图像。使用BO/TTE（e）和BO/TTE/PFP（g）电解液循环后锂金属负极的FSEM俯视形貌。在 BO/TTE（f）和BO/TTE/PFP（h）电解液中循环后锂金属负极的FSEM横截面图像。（i）在BO/TTE和BO/TTE/PFP电解液中，经不同时长Ar+溅射后CEI的成分演化。（j）使用BO/TTE和BO/TTE/PFP电解液的锂金属负极的TOF-SIMS深度剖析。（k）更换电解液后，Li||NCM811扣式电池在3.0–4.5 V电压区间内的循环性能。标尺：10 μm（a、c、e、g）；10 nm（b、d）；400 μm（f、h）。
图5：微乳液电解液设计工程。（a）激光照射下电解液的丁达尔现象。（b）微乳电解液与NCM811正极界面处的拉曼光谱，并与体相电解液进行对比。（c）FOB数值与表面张力关系图。位于区域I、区域II和区域III的溶剂分别对应于空白有机溶剂、不混溶溶剂（IM-F溶剂）和两亲性溶剂（AM-F溶剂）。VC：碳酸乙烯酯；PC：碳酸丙烯酯；DMC：碳酸二甲酯；EMC：碳酸甲乙酯；DOL：1,3-二氧戊环；FHF：全氟己酰氟；PSF：全氟己基磺酰氟。（d）在3.0–4.5 V电压范围内，使用LB015、BO及一系列微乳电解液的Li||NCM811扣式电池循环性能。（e）在3.0–4.7 V电压范围内，使用LB015、LB015/TTE及LB015/TTE/PFP电解液的 Li||NCM811扣式电池循环性能。（f）在3.0–4.5 V电压范围内，采用不同PFP与TTE比例的BO和BO/TTE/PFP电解液的Li||NCM811扣式电池循环性。（g）使用BO/TTE/PFP电解液、循环20次后充满电（4.5 V）的Li||NCM811软包电池在针刺测试中的温度与电压随时间变化曲线。（h）软包电池针刺测试前后的光学照片。（i）利用PFP进行非接触灭火实验的光学照片及示意图。
综上，本文是关于一种新型的微乳液电解液设计策略，用于稳定锂金属电池中的锂金属负极和高镍正极。引入液体-液体界面张力（γL–L）作为驱动力，使得含氟的微滴能够自发地向电极表面迁移并富集，形成富含氟化物的固液电解质界面（SEI）和正极电解质界面（CEI），从而显著提升了电池的循环稳定性和安全性。
该研究使用这种微乳液电解液的Li||NCM811扣式电池在4.5 V的充电截止电压下循环850次后容量保持率达到84.6%，在4.7 V下循环400次后容量保持率为94.4%。此外，研究还展示了Li||NCM811软包电池在高能量密度（531 Wh kg−1和547 Wh kg−1）下，经过189和155个循环后分别保持了81%和79%的初始容量。
这种基于γL–L的微乳电解液不仅拓宽了电解液组分的选择范围，还为高电压锂金属电池的发展提供了新的视角。其应用前景广阔，不仅适用于高能量密度的锂金属电池，还可能推广到其他类型的可充电电池中，推动相关电池技术的进一步发展。
Liquid–liquid interfacial tension stabilized Li-metal batteries. Nature, 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09293-4.