科技日报记者 陈 曦
在电动交通、低空经济等新兴产业爆发式增长的当下，传统锂电池的续航焦虑日益凸显。近日，天津大学材料学院教授胡文彬、韩晓鹏团队联合西北核技术研究院研究员、中国工程院院士欧阳晓平，特种化学电源全国重点实验室高级工程师郭灏研发出革命性的“离域化”电解液体系，将金属锂电池能量密度提升至600瓦时/公斤，较现有商用电池续航能力提升3倍。该成果8月13日发表于国际期刊《自然》，标志着我国在全球高能电池赛道实现从跟跑到领跑的关键跨越。
续航焦虑日益凸显
“新兴产业的爆发式增长，对电池性能提出了前所未有的要求。”胡文彬介绍，电动交通工具需要更长续航里程。低空经济中的无人飞行器对轻量化、高能量密度电源需求迫切，绿色储能领域更是需要高效稳定的能量存储方案。
然而，当前广泛应用的传统锂离子电池，已逐渐显露出“力不从心”的疲态。目前商用锂离子电池的能量密度普遍停留在200—300瓦时/公斤，已无法满足无人机、高端电动车等场景对电池长续航、轻量化的需求。
以低空经济为例，根据中国民航局最新数据，2023年我国民用无人机市场规模已突破1200亿元，但无人机飞行时间普遍局限在30—60分钟。“电池重量占无人机重量的30%—40%。能量密度不足直接限制了其作业半径和载荷能力。”胡文彬说。同样，在电动汽车领域，消费者对续航里程的焦虑仍未消除。尽管主流车型续航里程已达500—700公里，但冬季衰减、快充损耗等问题依然突出。
传统锂离子电池的能量密度和性能已接近理论极限。相比之下，锂金属电池凭借其远超传统锂离子电池的理论能量密度，被寄予厚望。胡文彬进一步解释：“锂金属的理论比容量是现有石墨负极的10倍以上。采用锂金属作为负极的电池，理论上能实现能量密度的跨越式提升。”
“这不仅是技术升级的需要，更是产业发展的必然选择。”胡文彬认为。巨大的技术潜力与迫切的产业需求形成的强大合力，推动着全球科研力量加紧攻关，力求在新一代高能二次锂电池的研发上实现关键性突破，为新兴产业持续发展注入强劲动力。
新设计理念突破传统限制
面对传统锂电池的技术瓶颈，天津大学联合科研团队创新性提出高能二次金属锂电池“离域化”电解液设计理念，突破传统溶剂化结构的限制。
“传统锂电池所使用的电解液配方较为单一。这种高度结构化的体系限制了锂离子的反应行为。”韩晓鹏介绍，传统电解液依赖单一溶剂主导结构，锂离子在其中的传输与反应行为和界面稳定性难以精准调控，导致电池能量密度、循环寿命和安全性难以平衡。
为破解这一难题，研究团队依托天津大学学科优势，强化材料科学、电化学、人工智能、储能等多学科交叉融合，构建了电解液溶剂和锂盐组分高通量筛选平台，并将先进算法与筛选平台融合，大幅缩短电解液体系研发周期。同时，团队积极开展国际合作与产学研协同创新，与新加坡国立大学、特种化学电源全国重点实验室及多家国内头部企业加强合作，联合开展关键技术攻关，推进原始创新与工程化应用。
团队的核心创新在于打破了传统电解液对单一溶剂主导结构的依赖。“通过引入多组分体系，我们构建了更加自由、多样且无序的溶剂化微环境，显著提升了电解液的成分多样性和冗余度。”韩晓鹏解释，这种设计为锂离子在复杂微观环境中的高效传输提供了有利条件，并实现了对电极反应行为和界面稳定性的精准调控。
团队结合多种高分辨光谱技术与多尺度理论模拟手段，从分子层面深入揭示了“离域化”电解液的作用机制：它能有效降低锂离子迁移能垒，同时抑制电极界面副反应，提高反应可逆性，从而在提升能量密度的同时，保障电池的循环寿命和安全性。
依托这一关键创新，团队率先在国际上研制出能量密度超过600瓦时/公斤的金属锂软包电芯及超过480瓦时/公斤的模组电池，核心性能指标较现有主流锂离子电池提升2—3倍，为高能电池技术的实用化迈出了关键一步。
产业化进程加速
目前，这项原创性技术已从实验室走向产业化应用阶段。研究团队依托天津大学国家储能技术产教融合创新平台和贵金属功能材料全国重点实验室等国家级科研平台，积极推进科研成果的技术转化与应用验证，已建成具备自主知识产权的高能二次金属锂电池中试生产线。
在应用场景方面，该技术已率先在我国三款型号的微型全电无人飞行器上实现实装应用，展现出“一克电池飞一公里”的卓越轻量化续航能力。“实装测试显示，搭载该电池的无人飞行器巡航时间较现有主流电池提升约2.8倍，获得了整机单位和用户单位的一致认可。”胡文彬介绍。
值得关注的是，团队已系统掌握高能二次金属锂电池在“电解液—电极—电芯”全链条中的关键核心技术。生产线具备高一致性、高可靠性的批量化制备能力，初步构建起面向规模化生产的工程体系，其所需的关键原材料与工艺流程均实现自主可控。
“中试生产线预计将于今年下半年实现全面投产运行，有望为新一代高能量密度储能系统的大规模应用提供坚实支撑。”胡文彬说。
展望未来，该技术在航空航天、新能源汽车、低空经济、消费电子、人工智能等多个前沿领域展现出广阔应用前景。它不仅能推动飞行器、电动车及高性能电子设备在轻量化、长续航等关键方向实现跨越式发展，还将带动材料、制造、装备等上下游产业协同升级，支撑绿色能源体系构建和智能制造能力提升，服务国家“双碳”目标、“新质生产力”发展战略和能源结构转型，助力我国在全球新能源技术竞争中抢占战略高地。
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