602.5 Wh/kg锂金属电池：ACSS强配位策略如何击穿600Wh/kg天花板

TL;DR

天目山实验室宫勇吉团队联合清华大学刘凯教授在Nature Communications发表研究，提出ACSS（添加剂强配位溶剂化结构）策略，通过TMSFS添加剂实现4.6V级锂金属软包电池602.5 Wh/kg的能量密度。

核心机制：微量TMSFS添加剂进入Li⁺溶剂化内层鞘，优先于阴离子和溶剂分解，在正负极两侧同时构建富含LiF/Li₂S/Li₂O的无机型界面层---正极PEI仅6.1nm厚，负极SEI使交换电流密度提升6倍。

实测数据：Li||Cu半电池平均库伦效率97.8%，对称电池1mA/cm²下稳定循环超2000h；10Ah级Li||NCM811软包达550.7 Wh/kg、循环180次容量保持80%；富锂锰基体系软包达602.5 Wh/kg、循环60次容量保持80%。

与LHCE（高浓电解液）路线相比，ACSS用微量添加剂实现了类似的界面稳定效果，但避免了高黏度、低电导率、高锂盐消耗等问题，工程化可行性更高。

602.5 Wh/kg为实验室软包电池水平，循环寿命60次（80%容量保持）距离车用1000+次要求尚有较大差距，富锂锰基本身的电压衰减和氧气释放问题也未完全解决。

该工作的真正价值在于提出了"添加剂优先牺牲"的溶剂化设计新范式，而非某一项性能指标的突破，为高比能锂金属电池的电解液设计提供了新方向。

综合判断：500Wh/kg级锂金属电池3-5年内有望在低空经济场景小批量应用，600Wh/kg级量产装车预计需要8-12年。

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B. 5-10年，工程挑战很大，循环和安全需持续验证
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参考文献：

本文基于2026年8月发表的Nature Communications论文《Additive strongly-coordinated solvation structure towards high-voltage 600 Wh/kg-class lithium metal pouch cell》。

Zhang, Z., Chen, Q., Li, B. et al. Additive strongly-coordinated solvation structure towards high-voltage 600 Wh/kg-class lithium metal pouch cell. Nat Commun (2026).

一、问题意识：为什么600Wh/kg是锂金属电池的"生死线"

1.1 能量密度的天花板在哪里

当前商用锂离子电池基于石墨负极体系，能量密度已经逼近350 Wh/kg的理论极限。对于动力电池而言，每提升10 Wh/kg都需要在材料体系、电芯设计、制造工艺上做大量优化，边际效益递减非常明显。

锂金属电池之所以被寄予厚望，核心原因在于锂金属负极的理论比容量高达3860 mAh/g，是石墨负极（372 mAh/g）的10倍以上，同时拥有最低的电化学电位（-3.04 V vs. 标准氢电极）。搭配高电压正极后，锂金属电池的理论能量密度可以轻松突破500 Wh/kg，甚至触及700-800 Wh/kg。

但现实很骨感---锂金属电池喊了十几年，真正能在软包电池层面验证500 Wh/kg以上的工作寥寥无几，能稳定循环的更是屈指可数。

1.2 锂金属软包量产的三重瓶颈

第一重：锂枝晶与死锂问题。 锂金属在沉积过程中容易形成枝晶状生长，不仅会刺穿隔膜引发短路，更会产生大量"死锂"------与集流体失去电接触的锂金属，直接导致容量快速衰减。在软包电池的大尺寸、高面负载条件下，锂沉积的均匀性更难控制。

第二重：高电压下的电解液分解。 要实现高能量密度，必须搭配4.5V以上的高电压正极（高镍三元、富锂锰基等）。但传统碳酸酯电解液在高电压下会持续氧化分解，在正极表面形成厚而不稳定的CEI（正极-电解液界面），同时消耗电解液导致干液失效。

第三重：贫液条件下的界面稳定性。 为了追求高能量密度，软包电池必须采用贫液设计（E/C比通常<2 g/Ah）。电解液量少了，一旦发生分解，电池很快就会失效。这也是为什么很多在扣式电池上表现优异的电解液体系，一做软包就"原形毕露"。

1.3 电解液添加剂为什么是关键变量

在锂金属电池的各种技术路线中，电解液添加剂是性价比最高的"杠杆点"------只需要添加1%-5%的量，就有可能显著改善界面稳定性，而且几乎不增加制造成本和工艺复杂度。

但传统添加剂面临一个根本困境：添加剂浓度低，很难进入Li⁺的第一溶剂化壳层。大多数添加剂只能在电解液本体中"游离"，依靠扩散到达电极表面参与反应，效果有限且不稳定。

高浓电解液（HCE）和局部高浓电解液（LHCE）路线通过提高锂盐浓度，让更多阴离子进入溶剂化结构，从而形成富含无机组分的SEI。但这条路线的问题也很明显：黏度高、离子电导率低、锂盐成本高、且循环过程中阴离子持续消耗。

天目山实验室的这项工作，本质上是在"传统添加剂"和"高浓电解液"之间找到了第三条路------用分子工程设计的添加剂，即使微量添加也能进入溶剂化内层，实现类似高浓电解液的界面效果，但避免了高浓度带来的各种问题。

二、核心创新本质：ACSS策略的"强配位"到底强在哪

2.1 ACSS是什么

ACSS全称是Additive Coordinated Solvation Structure（添加剂强配位溶剂化结构）。

这个概念的核心洞见是：与其让阴离子"牺牲"自己来构建界面（高浓电解液思路），不如让添加剂优先牺牲。因为添加剂的设计自由度远高于锂盐阴离子------可以精准调控其配位能力、还原电位、分解产物等。

具体实现方式是开发了一种名为TMSFS（三甲基硅基-2,2-二氟-2-(氟磺酰基)乙酸酯）的新型多功能添加剂。这个分子的设计很巧妙：

强配位基团：分子中的磺酰基和羰基氧具有强的给电子能力，能与Li⁺形成强配位作用，即使在低浓度下也能进入Li⁺的第一溶剂化壳层
优先分解特性：TMSFS的LUMO（最低未占分子轨道）能级低于常规溶剂分子和部分阴离子，因此会优先得到电子发生还原分解
分解产物优质：分解后能生成LiF、Li₂S、Li₂O等无机组分，这些都是构建高稳定性SEI的理想成分

据论文公开信息显示，TMSFS添加量处于常规添加剂量级范围，通过分子层面的配位设计实现了"微量高效"的效果。这与LHCE体系动辄几摩尔浓度的锂盐用量形成了鲜明对比。

2.2 强配位策略怎么实现

传统电解液中，Li⁺的溶剂化结构主要由溶剂分子（如EC、DMC）和少量阴离子组成，添加剂通常在溶剂化外层甚至完全不参与。ACSS策略通过以下机制改变了这一格局：

第一步：强配位添加剂进入溶剂化内层。 TMSFS分子中的磺酰氟基团和酯基氧具有较高的电子云密度，能与Li⁺形成较强的配位键。DFT计算和分子动力学模拟结果表明，即使在低添加量下，TMSFS也能有效进入Li⁺溶剂化结构的内鞘层，部分取代溶剂分子的配位位点。

第二步：添加剂优先还原分解。 在锂金属负极表面，TMSFS由于具有较低的LUMO能级，会优先于溶剂分子和部分阴离子得到电子发生还原分解。这意味着SEI的形成主要由添加剂的分解产物主导，而不是溶剂的分解产物。

第三步：形成无机富集型界面。 TMSFS分解产生的LiF、Li₂S、Li₂O等无机组分，在负极表面构建出富含无机物的SEI层。这种SEI具有高离子电导率、高机械强度和良好的化学稳定性，能有效抑制锂枝晶生长和电解液持续分解。

2.3 对SEI结构、锂沉积形貌、高压稳定性的作用

SEI结构方面：

厚度：ACSS体系形成的SEI更薄且均匀，Cryo-TEM表征显示厚度约10 nm级，远薄于基线电解液的几十纳米
成分：富含LiF、Li₂S、Li₂O等无机组分，无机相比例显著高于传统电解液体系
力学性能：无机富集型SEI具有更高的杨氏模量，能更好地抵抗锂沉积过程中的体积膨胀

锂沉积形貌方面：

在ACSS电解液中，锂沉积呈现均匀致密的形貌，没有明显的枝晶和苔藓状锂生成
Li⁺跨界面传输活化能大幅降低，交换电流密度提升6倍，意味着Li⁺穿过SEI的阻力更小，沉积更均匀
Li||Cu半电池平均库伦效率达97.8%，对称电池在1 mA/cm²电流密度下稳定循环超过2000小时

高压稳定性方面：

在富锂锰基（LRMO）、高镍三元等高电压正极表面，ACSS策略诱导形成均匀、薄而致密的正极-电解液界面层（PEI），厚度仅约6.1 nm，远低于基线电解液的14 nm以上
该无机富集界面有效抑制了高电压下正极颗粒的裂纹萌生、层状-岩盐相相变以及锰、钴、镍等过渡金属离子的溶解穿梭
线性扫描伏安法（LSV）测试显示，ACSS电解液的电化学稳定窗口超过4.7 V，满足高电压正极的需求

2.4 602.5 Wh/kg这个数字是怎么算出来的

论文中报道了两个体系的软包电池数据：

体系一：Li||NCM811（4.5V） - 容量等级：10Ah级软包电池 - 能量密度：550.7 Wh/kg - 循环性能：0.1C充电/0.5C放电，180次循环后容量保持率80%

体系二：Li||富锂锰基LRMO（4.6V+） - 能量密度：602.5 Wh/kg - 循环性能：0.1C充放电，60次循环后容量保持率80% - 正极材料：富锂锰基层状氧化物，利用阳离子和阴离子双氧化还原反应提供高容量（通常250-300 mAh/g）

602.5 Wh/kg这个数字的达成依赖于以下几个关键参数的极限优化：

高容量正极：富锂锰基正极的比容量远高于传统三元材料，是突破600 Wh/kg的关键
锂金属负极：超薄锂负极的使用（通常50μm以下），在保证N/P比的同时尽量减少非活性锂的占比
贫液设计：较低的E/C比，减少电解液在电芯总重中的占比
薄型化设计：薄集流体、薄隔膜、轻量化包装材料等

需要指出的是，论文摘要中未详细披露软包电池的具体尺寸、重量拆解等参数，这些细节通常在补充材料或后续技术报道中会有更完整的披露。根据能量密度反推，这类高比能软包电池的活性物质占比通常需要达到70%以上才能实现600 Wh/kg级的比能量。

💡 注：602.5 Wh/kg为软包电池整体的质量比能量（包含包装材料），而非仅电芯活性物质的计算值。这一点在评估时需要特别注意---有些论文报道的能量密度是扣除包装后的"裸电芯"值，实际工程参考价值会打折扣。

三、跨体系触类旁通：ACSS路线在锂金属赛道上的位置

3.1 主流高能量密度锂金属技术路线对比

技术路线	核心思路	代表工作/企业	能量密度水平	循环寿命	量产难度
ACSS添加剂（本文）	微量强配位添加剂同时稳定正负极界面	天目山实验室/北航	602.5 Wh/kg（软包）	60次@80%（LRMO体系）	低-中，添加剂工艺成熟
人工SEI涂层	在锂金属表面预先构建保护层	多条学术路线	400-500 Wh/kg	不一	中，规模化涂覆有挑战
3D集流体	用三维结构容纳锂沉积，降低局部电流	多条学术路线	<450 Wh/kg（结构占重量）	较好	高，制备复杂且增重
固态电解质	用固态电解质替代液态电解液，从根本上解决安全问题	QuantumScape、宁德时代等	400-500 Wh/kg级	不一	极高，界面接触+规模化制造
LHCE高浓电解液	高锂盐浓度形成阴离子主导的溶剂化结构	多条学术路线	400-500 Wh/kg级	较好	中-高，锂盐成本高、黏度大
贫液化+复合负极	减少电解液用量+复合锂负极	多家电池企业	400-500 Wh/kg级	中	中

3.2 ACSS路线的核心优势

优势一：工艺兼容性极佳。 电解液添加剂是现有锂电池产线最容易导入的技术路线------不需要改变电芯结构、不需要新增设备、不需要调整制造工艺，只需要在电解液配方中加入一定比例的添加剂即可。这一点的重要性怎么强调都不为过。

优势二：成本增量极低。 与高浓电解液（锂盐用量是常规的3-5倍）、人工SEI涂层（新增涂覆工序）、固态电解质（全新材料体系）相比，添加剂路线的成本增量几乎可以忽略。即使TMSFS是新型添加剂，在规模化生产后成本也会快速下降。

优势三：双向界面稳定。 很多电解液策略只能稳定单侧界面（要么负极、要么正极），而ACSS策略通过TMSFS在正负极两侧的优先分解，同时构建了稳定的SEI和PEI。这种"双向防护"的能力对于高电压锂金属电池尤为重要。

优势四：离子动力学无损。 高浓电解液虽然界面稳定，但黏度高、Li⁺迁移率低，倍率性能通常不佳。ACSS策略由于使用的是常规浓度电解液+微量添加剂，电解液本体的离子电导率不受影响，倍率性能更有保障。

3.3 ACSS路线的短板与局限

短板一：库伦效率仍有提升空间。 论文中Li||Cu半电池的平均库伦效率为97.8%。这个数字在学术研究中属于不错的水平，但距离产业化要求的99.5%以上仍有差距。每次循环损失2%的锂，100次循环后就会损失掉近90%的活性锂（实际是指数衰减，但量级上可以参考）。这也是为什么富锂锰基体系只能循环60次到80%容量保持率。

短板二：富锂锰基本身的问题。 602.5 Wh/kg的"最高纪录"是在富锂锰基正极上实现的，但富锂锰基本身存在电压衰减、氧气释放、首次效率低等长期未解决的问题。ACSS策略虽然能改善界面稳定性，但无法从根本上解决正极材料的体相问题。

短板三：循环寿命数据有限。 目前论文中公开的最长循环数据是NCM811体系的180次（80%容量保持）。对于动力电池应用，通常需要1000次以上的循环寿命。从180次到1000次，中间还有很长的路要走。

短板四：安全性能数据缺失。 论文摘要和公开报道中没有提及针刺、挤压、热箱等安全测试数据。锂金属电池的安全性一直是产业界最关心的问题，尤其是高能量密度体系，任何热失控风险都可能被放大。

四、工程落地成熟度评估：距离车用还有多远

4.1 602.5 Wh/kg是实验室水平还是可量产水平

结论很明确：当前是实验室软包水平，距离量产还有相当距离。

判断依据有三：

第一，循环寿命不足。60次循环到80%容量保持率，这个水平连消费电子的要求（通常300-500次）都达不到，更不用说动力电池的1000+次循环要求了。

第二，测试条件偏温和。0.1C充放电速率，相当于10小时充满、10小时放完。实际应用中，即使是长航时无人机也很少用这么慢的充放电速率。用更实际的倍率（如0.5C/1C）测试，循环寿命大概率会进一步下降。

第三，富锂锰基正极的工程化成熟度低。富锂锰基材料研究了十几年，但至今尚未大规模量产。它的电压衰减问题、首次效率低问题、氧气释放问题，都是制约其产业化的瓶颈。

4.2 循环寿命数据的真实含义

需要客观看待论文中的循环数据：

Li||NCM811体系：180次循环，80%容量保持，0.1C充/0.5C放 ------ 这个数据在锂金属软包电池中属于较好水平，但与量产要求仍有数量级差距
Li||LRMO体系：60次循环，80%容量保持，0.1C充放 ------ 这更多是"概念验证"性质，证明在富锂锰基体系下ACSS策略也能工作，以及可以达到600 Wh/kg以上的能量密度
对称电池：2000h以上稳定循环 ------ 这个数据很亮眼，但对称电池的测试条件与全电池差异很大（对称电池是锂对锂，没有正极侧的副反应和过渡金属溶解问题），只能作为参考

4.3 4.6V高压下的产气、膨胀、日历老化问题

论文中重点关注了循环性能和界面表征，但对于软包电池实际应用中非常重要的几个问题涉及较少：

产气问题： 高电压下电解液分解会产生气体，导致软包电池膨胀、变形，严重时甚至破裂。富锂锰基正极在高电位下的氧气释放会加剧这一问题。论文中未提及产气测试数据，这是后续需要重点验证的方向。

膨胀问题： 锂金属负极在充放电过程中会发生体积变化（沉积时膨胀、剥离时收缩），在软包电池中这种体积变化会导致电芯厚度周期性波动，进而影响模组的结构稳定性和界面接触。3D结构的人工SEI或复合负极可能在这方面有优势。

日历老化问题： 电池在存储过程中的容量衰减（日历寿命）也是一个重要指标。锂金属负极的高反应活性意味着即使不充放电，也会与电解液持续反应。ACSS策略改善了SEI稳定性，理论上应该能改善日历老化，但需要实际数据验证。

4.4 距离车用还有多远

这是一个很难精确回答的问题，因为它取决于技术进步速度、产业投入力度、下游需求拉动等多重因素。但可以做一些分层判断：

低空经济/无人机场景（3-5年可能小批量应用）： - 550 Wh/kg级的NCM811体系（180次循环）在长航时工业无人机场景已经有应用价值 - 无人机对循环寿命的要求远低于汽车（几十次到几百次即可） - 天目山实验室本身就在做无人机，有明确的应用场景和验证平台 - 这个场景可能是ACSS技术最先落地的地方

消费电子场景（5-8年可能进入供应链）： - 消费电子对能量密度有强烈需求（续航焦虑），但对循环寿命要求中等（300-500次） - 需要进一步优化循环寿命和安全性 - 成本需要控制在可接受范围内

电动汽车场景（8-12年甚至更远）： - 1000+次循环寿命是硬指标，目前数据还差一个数量级 - 安全性要求极高（针刺、热扩散等） - 成本必须与现有体系有竞争力 - 锂资源供给也是一个变量（锂金属负极的锂消耗量远大于石墨负极）

五、总结与展望

这项工作的真正价值，不在于"602.5 Wh/kg"这个数字本身，而在于它提出了一个新的电解液设计范式---添加剂强配位溶剂化结构（ACSS）。

过去十几年，电解液设计的主流思路是"加盐"（高浓电解液）、"加溶剂"（新型溶剂体系）、或者"加添加剂"（但添加剂不进入溶剂化内层）。ACSS策略跳出了这些框架，用分子工程手段让添加剂直接"打入"Li⁺溶剂化结构的核心，以微量添加量实现了对界面化学的精准调控。

这就像炒菜------以前要么多加盐（高浓电解液），要么多加调料（传统添加剂，但调料在汤里飘着）。ACSS的思路是设计一种"超级调料"，即使只加一点点，也能均匀地渗透到每一滴汤里，从根本上改变整道菜的味道。

当然，从实验室到量产，中间还有无数的坑要踩。循环寿命要从几十次提升到上千次，安全性要从扣电验证到系统级验证，成本要从实验室克级成本降到吨级成本------每一步都不简单。

但至少，这条路的方向看起来是对的。

FAQ

Q1：602.5 Wh/kg这个数字是怎么测出来的？是活性物质还是整个电芯？ A：是软包电池整体的质量比能量，包含了正极、负极、隔膜、电解液、集流体、包装材料等所有组件的重量。这比很多论文只算活性物质的能量密度要实在得多，但具体的重量拆解参数论文中未完全披露。

Q2：ACSS和高浓电解液（HCE）有什么本质区别？ A：两者都能形成无机富集型SEI，但实现路径完全不同。HCE靠提高锂盐浓度（通常4-5M以上）让阴离子进入溶剂化内层，缺点是黏度高、电导率低、锂盐成本高。ACSS靠分子设计让微量添加剂进入溶剂化内层，优点是成本低、电导率不受影响，但添加剂的设计难度更大。

Q3：为什么富锂锰基体系的循环寿命比NCM811体系差这么多（60次vs 180次）？ A：主要有两个原因。一是富锂锰基本身的材料稳定性问题------高电压下阴离子氧化还原会导致氧气释放、结构相变、电压衰减等，这些是材料体相的问题，不是电解液能完全解决的。二是富锂锰基的工作电压更高（4.6V+ vs 4.5V），电解液的氧化分解更严重。

Q4：对称电池循环2000小时是什么水平？有什么参考价值？ A：在1 mA/cm²电流密度下稳定循环2000小时以上，这个数据在锂金属对称电池中属于较好水平。但需要注意的是，对称电池只有锂-锂界面，没有正极侧的副反应和过渡金属溶解，所以循环寿命通常远好于全电池。它只能反映负极侧的界面稳定性，不能直接等同于全电池的循环寿命。

Q5：TMSFS添加剂的成本高吗？量产可行性如何？ A：论文中未披露TMSFS的合成成本和规模化制备难度。从分子结构看（三甲基硅基+二氟氟磺酰基乙酸酯），这类有机硅化合物和含氟化合物在工业上都有成熟的合成路线，但具体成本取决于合成步骤、原料价格和产率。作为电解液添加剂，由于添加量低，即使单价较高，对电芯总成本的影响也相对有限。

Q6：这项技术什么时候能用上？最先用在什么场景？ A：最有可能率先落地的是低空经济场景（长航时无人机、eVTOL等）。这些场景对能量密度的需求最迫切，对循环寿命的要求相对较低，而且天目山实验室本身有无人机平台可以做验证。预计3-5年内可能有小批量应用。消费电子和电动汽车的落地时间会更长，分别需要5-8年和8-12年以上。

Q7：锂金属电池的安全性问题解决了吗？ A：还远没有解决。ACSS策略改善了界面稳定性，抑制了锂枝晶生长，这对安全性是有帮助的。但锂金属电池的安全性问题是系统性的------除了锂枝晶刺穿隔膜，还有热失控、产气、锂金属与电解液的放热反应等多个风险点。论文中未提及完整的安全测试数据，这是后续需要重点研究的方向。

Q8：这项研究对国内锂电产业有什么意义？ A：这项工作的意义在于证明了中国科研团队在高比能锂金属电池的电解液设计领域已经走在国际前列。更重要的是，天目山实验室依托北航建设，有明确的航空应用场景（无人机、eVTOL），可以形成"基础研究-工程验证-场景应用"的闭环，这比单纯发论文更有价值。

本文仅为学术研究分享和技术探讨，不构成任何投资建议或产品采购建议。文中提及的技术参数、性能指标均为实验室条件下的测试结果，实际产品性能可能因制造工艺、使用条件等因素而有所不同。

参考文献

$1$ Zhang, Z., Chen, Q., Li, B. et al. Additive strongly-coordinated solvation structure towards high-voltage 600 Wh/kg-class lithium metal pouch cell. Nat Commun (2026).

$2$ 天目山实验室. 突破600Wh/kg，我国团队研发出高比能锂金属电池 $EB/OL$ . (2026-08-26) $2026-08-29$ . https://www.tmslab.cn/.

$3$ Deng, W., Qiu, B., Chen, J. et al. Understanding the degradation complexity of ultrahigh-energy lithium metal batteries. Nat Rev Chem 10, 315--331 (2026).

$4$ 中国科学院宁波材料技术与工程研究所. Nature Reviews Chemistry | 宁波材料所解码超高能量密度富锂锰基电池的复杂失效行为 $EB/OL$ . (2026-03-10) $2026-08-29$ . https://www.nimte.ac.cn/news/news/202603/t20260310_8153202.html.

$5$ X. Li, Y. Bai, T. Ren, et al. " Enhanced Anion-Coordination Solvation Structure in High-Voltage Electrolyte Enables Wide-Temperature and Fast-Charging Lithium Metal Batteries." Adv. Energy Mater. 15, no. 44 (2025): e03420.