馬年首篇Nature，南開大學最新成果

在過去的幾十年中，電化學裝置的電解質(zhì)溶劑主要由氧(O)基和氮(N)基配體組成，對于這些配體，偶極-離子(Li+、Na+等)相互作用通常為離子解離和傳輸?shù)於ɑA(chǔ)，但會阻礙電解質(zhì)-電極界面的電荷轉(zhuǎn)移過程。

2026年2月25日，南開大學趙慶、陳軍、上海空間電源研究所李永共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“Hydrofluorocarbon electrolytes for energy-dense and low-temperature batteries”的研究論文。該研究圍繞鋰電池電解液開展研究，打破長久以來電解液中氧配位的動力學束縛，設(shè)計合成了系列氟配位的新型氟代烴溶劑分子，基于此構(gòu)建的電解液體系，取代了傳統(tǒng)電解液的鋰-氧配位方式，助力700瓦時/公斤鋰金屬電池實現(xiàn)可逆循環(huán)。

在電化學儲能裝置中，電解質(zhì)作為電荷載體和界面成形劑是至關(guān)重要的，特別是對于能量密集型鋰金屬電池(LMBs)。含氧基(如碳酸鹽和醚)和氮基(腈、sp軌道雜化N原子、sp–N)配體的溶劑因其對Li+的強偶極-離子相互作用而在整個電池歷史中被廣泛使用，為電解質(zhì)中的鋰鹽離解提供了基礎(chǔ)。然而，強Li+–O或sp–N結(jié)合同時導致電極-電解質(zhì)界面處巨大的去溶劑化障礙，阻礙了快速充電或低溫條件下的應(yīng)用。

為了解決這個問題，人們提出了各種方法來降低氧和氮原子的路易斯堿性，但通常是以引入大量取代物為代價，這會導致高溶劑粘度。因此，探索具有快速Li+去溶劑化動力學的本質(zhì)上不同的配位結(jié)構(gòu)是解決上述缺陷的必要條件。眾所周知，氫氟碳化合物具有出色的流動性和高電壓耐受性，而弱Li+–F配位限制了鹽的溶解。如果可以通過增強F原子的路易斯堿性來微妙地設(shè)計唯一的HFCs-F和Li+配位，以使大量的Li鹽溶解，則可預測的低結(jié)合能將促進高能量密度電池的界面動力學。

HFCs作為電解質(zhì)溶劑的設(shè)計原則和特性（圖源自Nature）

在這里，通過合成具有單氟化結(jié)構(gòu)的烷烴，證明了具有設(shè)計的空間位阻和路易斯堿性的氟(F)基配體能夠使鹽溶解超過2mol L-1。其中，基于1，3-二氟丙烷(DFP)的鋰離子電解質(zhì)具有高能量密度和低溫電池的所有優(yōu)點，包括低粘度(0.95 cp)、高氧化穩(wěn)定性(> 4.9 V)和70℃下0.29 mS cm-1的離子電導率。通過在第一溶劑化殼層中引入F原子， 弱F–Li+配位促進了Li電鍍/剝離過程，庫侖效率(CE)高達99.7%，交換電流密度比50°c時的O–Li+配位高一個數(shù)量級。電解液進一步使鋰金屬袋電池能夠在電解液量小于0.5g Ah-1的情況下運行，在室溫下實現(xiàn)大于700 Wh kg-1的能量密度，在50°c時實現(xiàn)約400 Wh kg-1的能量密度。該研究中的氫氟烴(HFC)電解液為構(gòu)建電化學系統(tǒng)提供了可行的方法。

該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、面上項目、重大研究計劃培育項目、國家自然科學基金委創(chuàng)新群體、科技部重點研發(fā)計劃等項目支持，依托特種化學電源全國重點實驗室、有機新物質(zhì)創(chuàng)造前沿科學中心、南開大學前沿交叉學科研究院、物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實驗室、空間電源全國重點實驗室等平臺開展。

參考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10210-6