（上圖）論文第一作者、中大機械與自動化工程學系的王扈煒博士

香港中文大學研究團隊提出了一項嶄新的電池界面工程策略，透過在正極活性材料表面優化單分子層的設計，精準調控電極與電解液之間的界面極性，從而顯著提高鋰金屬電池的穩定性。研究成果已刊於《自然－納米技術》。

論文：

• https://www.nature.com/articles/s41565-026-02152-x

研究背景

鋰金屬電池具備極高的理論能量密度，不過其穩定性仍面對明顯的挑戰。其中一個核心問題在於正極與電解液的接觸界面。電池放電時，界面會逐步形成不穩定的副產物層，引發容量衰減、阻抗上升及循環壽命下降。過往的不少研究主要是改良電解液配方，但該界面本身的分子尺度環境，則仍缺乏足夠研究。

研究成果

中大機械與自動化工程學系盧怡君教授領導的團隊，重點研究了正極表面的分子級界面調控。團隊利用原位、具納米敏感度的表面增強紅外吸收光譜技術（surface-enhanced infrared absorption spectroscopy，SEIRAS），量測自組裝單分子層（self-assembled monolayer，SAM）分子與電解液成分之間的庫侖作用，並追蹤界面附近溶劑化結構的變化。

盧怡君教授

結果發現，界面極性可作為描述正極表面如何與液態電解液分子互動的重要指標，不同的 SAM 末端基團，會改變界面附近的靜電環境，進而影響鋰鹽、溶劑分子及其溶劑化結構在正極表面的分布與反應方式。因此，適當設計的末端基團可調整電解液分子在正極表面的行為，提升界面穩定性，猶如一層「分子外衣」，在分子吸附性與排斥性之間達到平衡，既阻擋有害反應，又不會過度阻止電池界面的正常運作。

基於此，團隊在高鎳正極材料 NMC811 表面引入一層具偶極特性的 SAM 層，並透過調整末端基團的電子結構，改變界面極性環境。團隊採用甘醇二甲醚基（glyme-based）非水電解液的鋰金屬扣式電池進行驗證。結果正極在 2.8–4.7 V 電壓範圍、25°C、0.15 mA cm⁻² 條件下循環 200 次後，仍保持初始放電比容量的 80%，表現優於未經修飾的對照組。這顯示正極表面的分子級界面設計，的確可改善高電壓鋰金屬電池的循環穩定性。

a. 電極表面電雙層結構示意圖：團隊在 NMC811 正極活性材料表面組裝的超薄分子膜能調控電解液分子接近高電壓正極時所處的局部化學與靜電環境，圖中藍色和粉色圓圈分別代表電解液中的陰離子和陽離子，白色圓圈代表溶劑分子

b. 高截止電壓 4.7 V 下，鋰金屬扣式電池的長循環性能比較：與未修飾的電極相比，經修飾的正極展現出明顯更好的循環穩定性，在循環 200 次後仍保持初始容量的 80%

盧怡君教授表示，本研究的意義不只在於提升單一電池體系的性能，更在於提出一個較具普遍性的設計原則：即以界面極性作為核心參數，系統性理解和調控電極—電解液界面的分子互動。

研究團隊

論文第一作者為中大機械與自動化工程學系的王扈煒博士。共同作者來自中大電子工程學系及生物醫學工程學系。通訊作者為盧怡君教授。

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