鋰金屬電池（LMBs）因其理論能量密度超過500 Wh kg?¹被視為下一代儲能技術的核心，但高活性鋰金屬負極與高電壓正極（如高鎳三元材料NCM811）的界面不穩定性嚴重制約其實用化。傳統電解質設計聚焦于調控鋰離子溶劑化結構，通過陰離子衍生形成固態電解質界面（SEI）保護負極，卻難以同步穩定正極電解質界面（CEI）。這種局限性源于電場方向與鋰離子濃度梯度對正/負極界面動力學的差異影響：正極在高電壓下存在強氧化環境，導致CEI形成機制與SEI不同。現有策略無法同時滿足雙電極保護需求，且高濃度電解質成本高、粘度大，限制了電池動力學性能。因此，亟需開發一種不依賴鋰離子遷移路徑的新型界面調控機制，實現高能量密度電池的長循環穩定性。

首創微乳液電解質策略：利用不混溶氟化液滴（IM-F@AM-F膠束）與碳酸酯溶劑的液-液界面張力（γ_L–L）自發驅動氟化物富集至正/負極界面，突破電場與濃度梯度限制。雙電極同步保護機制：膠束在電極表面持續構建富氟化鋰（LiF）的SEI與CEI，顯著抑制枝晶生長與正極結構退化，實現4.7V高電壓下400圈循環容量保持率94.4%。實用化高能量密度突破：7.2 Ah軟包電池能量密度達547 Wh kg?¹，189次循環后容量保持81%，并通過釘刺測試驗證本征安全性。

圖1. 微乳液電解質機理與軟包電池性能

圖2a-c通過冷凍電鏡（cryo-EM）直接觀測膠束分布：BO/TTE/PFP電解質中50-120 nm的PFP@TTE膠束（圖2a）富集于NCM811正極界面（圖2c），而對照組無此現象（圖2b）。圖2d-f的拉曼映射進一步證實：在BO/TTE/PFP體系中，TTE的C-F伸縮振動峰（575–620 cm?¹）在正極界面強度比體相電解質高3倍（圖2d），負極界面同樣出現PFP富集（圖2e），而對照組分布均勻（圖2f）。圖2g紫外光譜顯示NCM811吸附后PFP濃度從4.0 vol%降至2.1 vol%，證明膠束整體吸附特性。圖2h原位拉曼揭示充放電過程中TTE信號穩定，不受鋰離子遷移干擾，驗證γ_L–L驅動的界面富集與電場無關。

圖2. 界面結構表征與動態行為

圖3a-e系統論證微乳液電解質在極端條件下的電化學優勢。圖3a顯示4.5V常規電壓下，Li||NCM811紐扣電池使用BO/TTE/PFP電解液經歷850次循環后仍保持84.6%容量（對照組BO/TTE僅68%），且平均庫倫效率達99.8%（圖3a插圖）。更值得注意的是圖3e中4.7V超高電壓下的表現：400次循環后容量保持率高達94.4%，遠超LB015電解質（300次后衰減至70%），這歸因于氟化膠束構建的抗氧化CEI層有效抑制了正極表面氧釋放和結構相變。圖3c-d的倍率性能揭示其卓越動力學特性：4C放電（1,112 mA g?¹）下仍提供180 mAh g?¹容量，且0.1C至4C的充放電曲線重疊度高（圖3d），表明界面阻抗極低。圖3f-g通過鋰銅半電池量化界面穩定性：BO/TTE/PFP組平均庫倫效率達99.2%（對照組98.1%），且沉積/剝離過電位降低40%（0.08V vs 0.13V）。圖3h-i的原位?Li NMR首次揭示微觀鋰沉積機制：對照組循環后出現257 ppm肩峰（反映枝晶孔隙導致的磁化率變化），而實驗組峰位穩定于247 ppm，證實γ_L–L驅動的致密鋰沉積抑制了死鋰形成。

圖3. 高電壓循環穩定性與界面動力學驗證

圖4通過多尺度表征揭示微乳液對雙電極界面的雙重保護機制。正極側（圖4a-d）：BO/TTE組NCM811顆粒出現520 μm縱向裂紋（圖4a箭頭），表面覆蓋25 nm多孔CEI（圖4b），HRTEM顯示18 nm厚巖鹽相（NiO結構）- 這是高電壓層狀結構衰變的標志；而BO/TTE/PFP組顆粒完整無裂紋（圖4c），CEI僅5 nm且含8 nm薄巖鹽相（圖4d），證明氟化膠束抑制了晶格氧流失。負極側（圖4e-h）：對照組鋰沉積呈苔蘚狀疏松結構（圖4e），截面顯示450 μm不規則枝晶（圖4f）；實驗組則為致密塊狀鋰（圖4g），截面厚度均勻（圖4h）。圖4i的XPS深度剖析定量揭示組分差異：BO/TTE/PFP的CEI中F含量隨濺射時間從35%升至60%，O含量從45%降至15%（250秒后C=O鍵消失），證實LiF梯度分布；而對照組有機組分（C-O）持續存在。圖4j的TOF-SIMS進一步驗證表明，實驗組LiF??信號在SEI深度方向保持高強度，而對照組在20 nm后驟減；同時CH?O?（有機副產物）僅存在于實驗組SEI表層（<10 nm），而對照組貫穿整個SEI。圖4k的電解質替換實驗證明界面自修復能力：預循環形成的IM-F@AM-F層在更換LB015電解液后仍能維持200次循環穩定性（容量保持率90%），凸顯氟化膠束的"界面儲庫"效應。

圖4. 電極界面微觀化學與機械穩定性

圖5a-f建立微乳液電解質的理性設計框架。圖5a通過丁達爾效應驗證8種氟化溶劑組合（如BO/TTE/PFH、BO/FB/PFP）均形成50-120 nm膠束，而單一AM-F溶液（BO/TTE）無此現象。圖5b拉曼映射揭示了普適界面富集規律：三種代表性微乳液（BO/TTE/PFH等）在正極界面的C-F峰強度均比體相高2-3倍。圖5c提出創新性溶劑篩選指標 - 親氟-親有機平衡值（FOB）：空白有機溶劑（DEC等，FOB=15-18）、不混溶相（PFP等，FOB=2-5）、兩親相（TTE等，FOB=8-12）分屬高-低-中FOB區域，形成階梯式表面張力（γ=15→5 mN/m），為組分設計提供理論依據。圖5d-e展示廣泛適用性：所有微乳液體系在4.5V下循環性能優于傳統電解質（圖5d），且LB015/TTE/PFP（商用電解液改造）在4.7V下300次循環容量保持91%（圖5e）。圖5f實現關鍵成本突破：PFP濃度從4 vol%降至1 vol%（TTE從21 vol%減至2 vol%）仍維持4.5V下200次循環95%容量，且離子電導率從3.55 mS/cm回升至5.00 mS/cm。圖5g-i驗證本征安全性：針刺測試中，滿電（4.5V）軟包電池溫度全程穩定于30±2°C（圖5g），電壓維持在4.4V以上（圖5h），且無煙無火（圖5h插圖）；圖5i揭示PFP的氣化吸熱機制（吸熱量256 J/g）- 氣化后形成絕緣層隔絕短路點，同時稀釋可燃氣體，實現"非接觸式滅火"（火焰距電池1 cm即熄滅）。

圖5. 微乳液普適性設計與本征安全機制

綜上，本研究提出并驗證了一種關鍵驅動力 - 液–液界面張力（γL–L），實現了界面構建過程與溶劑化離子遷移的有效脫耦，不僅可同時保護高度脫鋰正極與高反應性鋰金屬負極，還在電解液動力學與穩定性之間實現了良好平衡. 該電解液系統成功支持了安時級軟包電池的穩定運行，其中7.2 Ah 與 7.5 Ah 電池分別實現531 Wh kg?¹與 547 Wh kg?¹的高能量密度，在189次與155次循環后仍保持81%與79%的容量。

原文鏈接

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09293-4