论文信息标题Dynamic solvent exchange for fast-charging lithium batteries and beyond期刊Nature Sustainability2026年6月23日在线发表Research Briefing格式DOI10.1038/s41893-026-01871-2通讯作者Chunsheng Wang王春生马里兰大学化工系Distinguished University Professor关键词动态溶剂交换 | 快充电解液 | 去溶剂化 | 溶剂化动力学 | 溶剂交换速率 | 低温电池 | 高载量锂电池 | 水系锌电池 | 电解液设计 | 王春生TL;DR马里兰大学王春生团队在Nature Sustainability发表了一项电解液设计新范式的研究。传统快充策略围绕降低去溶剂化能展开——削弱离子-溶剂相互作用让Li⁺在电极表面更容易甩掉溶剂分子。但这条路存在一个固有矛盾削弱配位的同时也在削弱离子电导率快充和低阻抗难以兼得。这项工作提出了动态溶剂交换策略不减弱溶剂对Li⁺的配位强度而是通过加速溶剂化壳层中溶剂分子的交换速率来提升界面电荷转移动力学。简单说传统思路是让Li⁺更容易脱衣服新策略是让Li⁺更快地换衣服。在高载量锂电池中实现了快充与低温性能的双重验证并在水系锌金属电池中确认了普适性。这篇工作与此前团队在Science、Nature Chemistry、Nature Nanotechnology、Nature Energy上发表的系列论文共同构成了电解液设计的热力学-动力学-界面三位一体框架。问题背景快充电解液设计的跷跷板困境电动汽车的快充竞赛已经白热化。4C以上的充电倍率15分钟充至80%正在成为高能量密度动力电池的标配门槛。但快充过程中电极/电解液界面上的物理化学过程远比体相传输复杂。Li⁺从电解液体相到达电极表面后需要完成一个关键步骤脱去溶剂化壳层中的溶剂分子去溶剂化然后以裸离子或近裸离子的形态穿过SEI/CEI嵌入电极晶格。这一步的活化能在低温或高倍率条件下往往成为整个充电过程的速率决定步骤。过去十几年电解液设计社区围绕这个问题形成了主流策略减弱Li⁺-溶剂相互作用降低去溶剂化能。手段包括选择低供体数DN溶剂减弱溶剂对Li⁺的配位强度引入氟代溶剂降低羰基氧的路易斯碱性构建阴离子主导的溶剂化结构如高浓度/局部高浓度电解液减少溶剂分子在Li⁺第一壳层中的占比这些策略在降低去溶剂化能垒方面确实有效但有一个绕不开的代价离子-溶剂相互作用减弱了Li⁺在体相中的溶剂化结构稳定性也在下降直接反映为离子电导率的降低。特别是在高浓度体系中粘度飙升、电导率骤降是常态。快充需要高电导率来支撑大电流下的体相离子传输去溶剂化需要弱配位来降低界面能垒——这两个需求在传统框架下是跷跷板关系按下葫芦浮起瓢。而且削弱去溶剂化能的策略在实际电池中未必总能兑现预期的快充改善。原因之一在于界面电荷转移动力学不只取决于脱溶剂有多难还取决于溶剂分子更新有多快。如果溶剂化壳层里的溶剂分子像钉死在Li⁺周围一样不流动那即便脱溶剂能垒不高整个界面过程也快不起来。这正是王春生团队这次工作的出发点。核心创新从脱衣服到换衣服传统范式 vs 新范式传统思路的逻辑链条是弱配位 → 低去溶剂化能 → 快界面动力学但这条链条忽略了一个关键变量溶剂化壳层的动态性。Li⁺在溶液中并非被一层固定的溶剂分子包裹而是处于持续的溶剂交换过程中——壳层内的溶剂分子不断与体相中的自由溶剂发生交换。这个交换速率决定了Li⁺到达电极表面时壳层中的溶剂分子有多新鲜、有多容易脱离。王春生团队提出的新范式是强配位保持高电导率 快溶剂交换降低界面动力学限制→ 快充 高电导率翻译成比喻传统策略是让Li⁺更容易脱衣服降低脱衣难度新策略是让Li⁺更快地换衣服加速衣服更新频率。两种路径都指向更快的界面动力学但新路径不会破坏体相中的溶剂化结构稳定性。溶剂交换速率的物理含义溶剂交换速率solvent exchange rate描述的是Li⁺溶剂化壳层中一个配位溶剂分子被体相中同种或异种溶剂分子取代的速率常数。在NMR时间尺度上这对应于溶剂分子在Li⁺配位位点上的驻留时间residence time的倒数。驻留时间短 交换快 壳层流动性好 Li⁺到达电极表面后壳层中的溶剂分子能快速被替换、脱离界面电荷转移不受旧溶剂的拖拽。驻留时间长 交换慢 壳层刚性强 即便去溶剂化热力学能垒不高动力学上也可能被卡住。这个视角在电化学界并不全新——溶液化学和配位化学领域对金属离子的溶剂交换动力学有大量基础研究经典的水交换速率研究可以追溯到Eigen机制。但将溶剂交换速率作为电解液设计的核心参数系统性地与电池快充性能挂钩这是这篇工作的关键贡献。技术路径如何在维持强配位的同时加速交换根据论文信息研究团队的设计思路可以拆解为以下几个层面溶剂分子筛选原则核心是在不显著降低溶剂供体数DN的前提下通过分子结构设计来降低溶剂在Li⁺壳层中的驻留时间。这通常涉及空间位阻调控在溶剂分子的配位基团附近引入适当的空间位阻增加壳层内溶剂分子的松动度降低交换活化能电子效应调控通过取代基的电子效应微调配位键的强度——既要维持足够的热力学稳定性又要保证动力学上的灵活性多溶剂协同使用混合溶剂体系利用不同溶剂之间的竞争配位效应自然提升壳层的动态交换频率不牺牲体相电导率由于溶剂对Li⁺的配位强度没有大幅削弱体相中的溶剂化结构保持稳定离子对和聚集体的形成得到有效抑制。这直接反映为在高浓度或实际电池工况下电解液仍能维持较高的离子电导率。这一点与Science论文2025年11月中发现的电渗拖曳极化问题形成了呼应——那项工作揭示厚电极快充时Li⁺的溶剂化拖曳会导致孔道内溶剂枯竭如果电解液本身的离子电导率高、溶剂传输能力强就能更好地对抗这一极化效应。实验验证双体系、双场景高载量锂电池快充低温论文在高载量thick-electrode锂离子电池中进行了验证。高载量电极是实用化电池的标配——为了追求高能量密度正极涂层的面容量通常在4-6 mAh/cm²甚至更高。这种电极的孔道深、传输路径长对电解液的快充能力提出了最严苛的要求。快充性能动态溶剂交换电解液在高载量电池中展现了优异的快充能力。结合团队此前在Science论文中对电渗拖曳极化机制的理解可以推测该电解液在设计时综合考虑了体相传输和界面动力学两个维度。低温性能低温是快充的天敌。温度降低时溶剂化壳层的动态性进一步下降分子热运动减弱去溶剂化和溶剂交换都变慢。传统弱配位策略在低温下的效果往往大打折扣——因为低温本身就在削弱配位再去削弱就更弱了电导率进一步恶化。动态溶剂交换策略的优势在于壳层动态性不依赖热力学上的弱配位而是依赖分子层面的快速交换机制在低温下仍有较好的动力学表现。水系锌金属电池普适性验证论文还将动态溶剂交换的设计原则拓展到了水系体系以锌金属电池为验证平台。水系电解液的溶剂就是水分子Zn²⁺的水合壳层同样存在溶剂交换过程。通过调控水系电解液中的溶剂交换动力学实现了锌金属负极在快充条件下的稳定沉积/剥离。这一步验证的意义在于动态溶剂交换不是一个局限于有机锂电解液的特定配方技巧而是一个跨化学体系的通用设计原则。无论是有机体系中的Li⁺还是水系中的Zn²⁺溶剂化壳层的动力学特性都是影响界面电荷转移的关键因素。系列论文拼图王春生团队的三位一体框架这篇Nature Sustainability论文不是孤立的工作。它与此前团队发表的一系列论文形成了高度互补的电解液设计框架。把这些工作放在一起看能看到一个完整的图景。动力学维度电渗拖曳与溶剂传输Science 2025团队2025年11月发表在Science上的工作首次系统揭示了厚电极快充中的一个隐藏瓶颈——电渗拖曳极化electro-osmotic drag polarization。核心发现在高倍率充电时Li⁺携带3-4个溶剂分子一起迁移电渗拖曳效应导致厚电极孔道深处的溶剂被持续抽走。如果溶剂的扩散回补速度跟不上拖曳速度就会出现局部溶剂枯竭引发严重极化。团队通过中子成像技术直接观测到了这一现象。解决思路设计弱阳离子溶剂化强阴离子溶剂化的二氟化电解液。弱化Li⁺对溶剂的拖曳能力同时增强阴离子对溶剂的反向拉回作用两相抵消维持孔道内溶剂浓度稳定。4Ah NMC811软包电池252 Wh/kg实现12.8分钟充至80%。与Nature Sustainability这篇的关系Science论文解决的是体相中溶剂怎么分配的问题Nature Sustainability论文解决的是界面上溶剂怎么更新的问题。前者关注宏观传输后者关注微观动力学。两者结合起来才构成完整的快充电解液设计图景。热力学维度电解液结构控制电极电位Nature Chemistry 2026团队2026年发表在Nature Chemistry上的工作由博士后Qiu Zhang张秋主导揭示了一个基础性的新机制电解液结构可以控制电极电位。传统观点认为电极电位是电极材料的固有属性——LiCoO₂就是~3.9V vs Li/Li⁺LiFePO₄就是~3.4V不随电解液变化。但这项研究挑战了这一观点证明电解液的结构溶剂化环境、离子配位状态可以从分子层面调控电极的热力学电位。这项工作建立了理解电解液-电极热力学关系的新框架对电解液设计、电催化、金属沉积、腐蚀控制等领域都有指导意义。界面维度纳米工程水系电解液扩展水分解窗口Nature Nanotechnology 2026团队2026年发表在Nature Nanotechnology上的工作由G. Li等人完成聚焦水系电池的界面工程。核心思路在3 mol/kg的Zn(OTf)₂水系电解液中引入微量2 mol%疏水醚类添加剂。这些添加剂在电极表面吸附形成一层液态电解质界面Liquid Electrolyte Interphase, LEI将水系电解液的电化学稳定窗口扩展到3.08V同时保持约54 mS/cm的高体相离子电导率和不可燃性。Zn||NaV₃O₈单层软包电池实现500圈稳定循环80%容量保持率初始比能量132 Wh/kg。自适应维度动态拓展电化学窗口Nature Energy 2025团队2025年7月发表在Nature Energy上的工作封面论文提出了自适应电解液的概念。核心思路设计一种三元混合电解液盐抗氧化溶剂抗还原溶剂精确调配至浊点——静止时均相充电时盐浓度梯度诱导相分离抗氧化溶剂富集到正极侧抗还原溶剂富集到负极侧从而在充电过程中动态拓展电化学稳定窗口。框架总结把这一系列工作放在一起能看到一个清晰的逻辑结构维度论文核心问题设计策略动力学Science (2025)厚电极孔道内溶剂枯竭减弱Li⁺拖曳增强阴离子反向补给动力学Nat. Sustain. (2026)界面溶剂交换速率不足加速溶剂化壳层交换频率热力学Nat. Chem. (2026)电极电位的电解液调控电解液结构控制电极热力学电位界面Nat. Nanotechnol. (2026)水系电解液窄稳定窗口疏水LEI抑制水分解抑制枝晶自适应Nat. Energy (2025)固定窗口vs动态过电位充电诱导相分离动态拓展ESW用王春生团队自己的话来说Our goal is to establish fundamental design principles that connect molecular interactions to battery performance. By understanding how electrolytes control thermodynamics, kinetics, and interfaces, we can develop the next generation of energy-storage systems with unprecedented performance.工程意义对动力电池行业的潜在影响快充策略的重新定位这篇工作对快充电解液设计的启示在于不能只看热力学去溶剂化能还要看动力学溶剂交换速率。过去很多电解液优化是在降低去溶剂化能这一条路上走到黑忽略了溶剂化壳层的动态特性。从工程角度看这意味着电解液筛选时除了常规的离子电导率、粘度、电化学窗口等指标溶剂交换速率也应成为关键评估参数分子动力学模拟MD和NMR弛豫测量可以作为溶剂交换速率的定量工具指导溶剂分子的筛选与配比快充电解液的设计应该同时考虑体相传输和界面交换两个层面而不是只盯着其中一个低温快充的物理基础低温下的快充一直是行业痛点。传统弱配位策略在低温下会遭遇双重削弱——温度本身降低分子动能弱配位又进一步降低电导率两个效应叠加低温快充性能崩塌。动态溶剂交换策略在原理上避免了这个问题壳层的快速交换不依赖弱配位而依赖分子层面的动力学灵活性在低温下的性能衰减幅度可能更小。不过具体的低温性能数据还需等待论文详细实验数据的披露。对高载量电极的适用性高载量电极面容量4 mAh/cm²是追求高能量密度电池的必由之路也是快充的困难模式。这篇工作明确在高载量条件下进行了验证说明动态溶剂交换策略具有实用化潜力。结合Science论文中对电渗拖曳极化的理解王春生团队正在建立一套面向高载量厚电极的完整快充电解液设计方法论。从锂到锌的跨体系验证水系锌电池是当前储能领域的热点方向但快充性能和低温性能同样面临挑战。动态溶剂交换原则在水系体系中的验证说明这一概念不局限于特定的离子类型或溶剂体系具有较好的通用性。这对钠电池、钾电池等其他多价离子体系的电解液设计也有参考价值。与现有文献的对比定位为了更清晰地理解这篇工作的定位这里将其与近年几项代表性的快充电解液研究做简要对比。与二氟化电解液策略的关系团队2025年Science论文提出的二氟化电解液策略核心是通过二氟取代来同时削弱Li⁺-溶剂配位和增强阴离子-溶剂氢键。那项工作的出发点是解决电渗拖曳极化。而Nature Sustainability这篇的出发点更基础——直接聚焦于溶剂化壳层的动力学特性从溶剂交换速率这个物理量入手设计电解液。两者的关系可以理解为Science论文提供了体相传输层面的快充解决方案Nature Sustainability论文提供了界面动力学层面的快充解决方案。在实际电池中两者大概率是协同起效的。与自适应电解液策略的关系Nature Energy的自适应电解液解决的是充电时过电位超过电解液稳定窗口的问题通过相分离动态拓展ESW。Nature Sustainability解决的是充电时界面动力学跟不上的问题通过加速溶剂交换提升界面速率。两个策略面向不同的物理问题理论上可以叠加使用——一个自适应电解液如果同时具有快速的溶剂交换动力学可能会在快充性能上更进一步。局限性与未解问题基于目前可获得的信息这篇工作存在一些需要进一步确认的问题长循环稳定性数据快充性能验证通常在较短时间内完成长期循环1000圈以上下的SEI/CEI稳定性、电解液消耗速率等数据尚待确认溶剂交换速率的定量表征溶剂交换速率的测量通常依赖NMR线宽分析或超快红外光谱具体的定量方法和结果需要论文原文确认大规模制备可行性如果涉及复杂的溶剂分子合成或特殊的配比要求大规模生产的成本和工艺可行性需要评估与商用电解液的兼容性实际电池中电解液需要与多种电极材料、粘结剂、隔膜兼容通用性有待更多体系验证软包电池级别的验证高载量扣式电池和软包电池之间存在工程差距电解液量、压力、热管理等软包级别的验证结果对评估实用化潜力至关重要FAQQ1动态溶剂交换和传统去溶剂化策略的核心区别是什么传统策略的出发点是降低去溶剂化能做法是削弱Li⁺-溶剂相互作用让Li⁺更容易甩掉溶剂分子。代价是体相离子电导率也会跟着下降。动态溶剂交换策略的出发点是加速溶剂交换速率做法是在维持Li⁺-溶剂配位强度即维持高电导率的前提下让溶剂化壳层中的溶剂分子更快地与体相溶剂交换。前者是热力学调控降低能垒后者是动力学调控加速过程。Q2溶剂交换速率能直接测量吗可以。NMR弛豫时间是测量溶剂交换速率的经典手段——通过分析Li⁺配位溶剂的¹⁷O或¹³C NMR线宽随温度的变化可以提取溶剂驻留时间和交换速率常数。分子动力学MD模拟也可以从原子层面计算溶剂交换速率。此外二维交换光谱2D-EXSYNMR等技术也能直接表征壳层内外的溶剂交换过程。Q3这个策略对钠离子电池、钾离子电池等其他体系适用吗从原理上推演溶剂交换动力学是影响所有离子-溶剂体系界面行为的关键因素不局限于锂电池。论文在水系锌电池中的验证已经证明了跨体系的适用性。但对于Na⁺、K⁺等不同离子溶剂化结构和交换机制可能存在差异具体的溶剂筛选原则和设计策略需要针对性调整。Q4动态溶剂交换策略能否与固态电解质结合这是一个值得探索的方向。固态电解质中的离子传输机制与液态电解液有本质差异溶剂交换的概念在严格意义上不直接适用因为没有自由溶剂分子。但在半固态/凝胶电解质体系中或者在固-液界面处溶剂交换动力学仍然可能扮演重要角色。Q5王春生团队的这一系列论文之间是什么关系2025-2026年期间王春生团队在Science、Nature Sustainability、Nature Chemistry、Nature Nanotechnology、Nature Energy上连续发表了5篇电解液相关的论文分别聚焦快充动力学Science Nat. Sustain.、热力学电位调控Nat. Chem.、界面工程Nat. Nanotechnol.和自适应窗口拓展Nat. Energy。这些工作从不同维度切入电解液设计的核心问题共同构建了热力学-动力学-界面三位一体的电解液设计框架。本文基于公开发表的学术论文和官方新闻稿进行技术解读旨在促进学术交流与工程理解。文中分析基于论文公开信息及研究团队的公开陈述不代表对论文结论的绝对背书。