陈军院士&赵庆&李永最新Nature:电解液领域新突破!

一, [科学背景]  电化学储能器件的电解液溶剂长期以来由氧基与氮基配体主导, 这类溶剂凭借强偶极-离子相互作用为锂盐解离和离子传输奠定基础, 却是锂金属电池向高能量密度, 宽温域应用发展的核心瓶颈:Li+与O/N之间的强配位作用会在电极-电解液界面形成极高的脱溶垒, 严重阻碍低温与快充场景下的电荷转移过程, 而现有通过降低氧, 氮原子路易斯碱性改善该问题的方法, 又往往因引入大体积取代基导致溶剂粘度升高, 进一步牺牲离子传输效率. 氢氟烃虽兼具优异的流体性与高电压耐受性, 却因Li+-F弱配位作用存在锂盐溶解度极低的短板, 难以直接作为电解液溶剂, 因此, 设计兼具高锂盐溶解度, 低脱溶垒与低粘度的新型电解液体系, 突破传统O/N配位化学的固有局限, 成为开发高性能锂金属电池的关键亟待解决的关键问题.
 二, [创新成果] 近日, 南开大学陈军院士, 赵庆团队和上海空间电源研究所李永团队合作, 通过分子工程设计合成具有可控空间位阻与路易斯碱性的单氟化烷烃氢氟烃(HFC)溶剂, 突破了氢氟烃因Li+-F弱配位导致锂盐溶解度低的瓶颈, 实现了超2 mol L-1的锂盐溶解能力;其中以1, 3-二氟丙烷(DFP)为基础构建的LiFSI电解液展现出低粘度(0. 38 cp), 高氧化稳定性(>4. 9 V), 超低温高离子电导率(-70 °C下0. 29 mS cm-1)的优异理化特性, 借助弱F-Li+配位实现了低脱溶垒与快配体交换离子迁移机制, 使锂沉积/剥离的库伦效率在25 °C达99. 7%, -70 °C仍保持98. 0%, 并在锂金属负极表面形成有机/无机双层稳定固体电解质界面(SEI), 有效抑制枝晶生长与界面副反应;基于该电解液的锂金属电池实现了宽温域稳定工作, 扣式电池在-90 °C仍有有效比容量, 匹配高载量Ni96正极, 薄锂负极与低电解液用量的13-Ah软包电池室温能量密度达707 Wh kg-1, -50 °C下仍保持约400 Wh kg-1, 同时研究还通过调控碳链长度与氟化程度开发出TFPT等衍生物, 实现-40 °C至80 °C的全气候适配, 且该类氢氟烃电解液可拓展至石墨基锂离子电池, 钠金属电池等多种电化学储能体系. 图1氢氟烃作为电解液溶剂的设计原理与特性:(a)与二氟甲基和三氟甲基相比, 单氟甲基中氟原子更高的电子密度有利于离子解离;(b)基于该原理, 设计并合成了双侧单氟化烷烃1, 4-二氟丁烷和1, 3-二氟丙烷, 二者对双氟磺酰亚胺锂和双氟磺酰亚胺钠具有高溶解度(大于2摩尔每升), 而结构相似的异二氟丁烷因甲基带来的空间位阻无法溶解锂盐;(c)从单晶到游离锂离子和阴离子的计算能量变化;(d)所合成的氢氟烃与锂电池常用溶剂的电离势和电子亲和能图谱;(e)锂离子结合能和粘度图谱(25摄氏度). © 2026 Springer Nature 图2电解液的溶剂化结构表征与离子传输机制. (a-c)1, 3-二氟丙烷(DFP)和1, 4-二氟丁烷(DFB)电解液的拉曼光谱(a), 锂-7核磁共振谱(b), 氟-19核磁共振谱(c), 并以1, 3-二甲氧基丙烷电解液作为参照样;(d)1, 3-二氟丙烷和1, 4-二氟丁烷电解液的离子电导率;(e)分子动力学模拟箱的快照(左)与1, 3-二氟丙烷电解液典型的溶剂化结构(右);(f)锂离子–氟(1, 3-二氟丙烷), 锂离子–氧(双氟磺酰亚胺根), 锂离子–氟(双氟磺酰亚胺根)对应的径向分布函数与配位数;(g)连续8帧下锂离子与双氟磺酰亚胺根的运动轨迹;(h)施加电压的分子动力学模拟所得1, 3-二氟丙烷电解液溶剂化结构的变化. © 2026 Springer Nature 作者提出了氢氟烃电解液的设计原理, 确定单氟基团更高的电子密度, 低空间位阻是锂盐高溶的关键, LiFSI为最优适配锂盐;同时证实DFP, DFB相较传统氧基溶剂, 氧化还原稳定性更优, 与Li结合能更低, 粘度更小, 是优质的Li传输介质. 通过光谱等测试发现DFP/DFB电解液以离子对聚集体为主要溶剂化结构, F-Li配位远弱于O-Li, 且宽温域离子电导率, Li扩散系数表现优异. 分子动力学模拟进一步揭示其离子簇结构与配体交换的Li迁移机制, 弱F-Li结合还能促进界面离子快速脱溶, 解释了其优异离子传输性能的成因. 图3锂金属沉积/剥离行为及对应的固体电解质界面表征. (a)使用1, 3-二甲氧基丙烷和1, 3-二氟丙烷电解液的锂对称电池的交换电流密度;(b)1mAcm2 , 1mAhcm2 (25°C)下, 使用两种电解液的锂对称电池的恒电流锂沉积/剥离曲线;(c)0. 5mAcm2, 1mAhcm2 (25°C)下, 不同摩尔比1, 3-二氟丙烷–双氟磺酰亚胺锂电解液的锂铜电池循环库伦效率;(d)不同温度下, 采用Aurbach’s方法测试的锂铜电池恒电流锂沉积/剥离曲线;(e)25, -50和-70°C下, 1, 3-二氟丙烷电解液在锂负极表面界面分解反应的从头算分子动力学模拟快照;(f, g)1, 3-二甲氧基丙烷和1, 3-二氟丙烷电解液中沉积锂表面固体电解质界面的X射线光电子能谱C 1s分析(f)与S 2p分析(g);(h)两种电解液中固体电解质界面的飞行时间二次离子质谱三维纳米结构, 以及甲酸根, 氧化锂根与氟离子的相对含量;(i)25, -50和-70°C下, 1, 3-二甲氧基丙烷与1, 3-二氟丙烷电解液中沉积锂的扫描电子显微镜图像. © 2026 Springer Nature 作者围绕锂金属沉积/剥离行为及SEI膜展开表征分析, 先排除稳定性不足的DFB电解液, 测试Li∥Li对称电池发现DFP电解液的交换电流密度远高于DMP电解液, 低温下优势更显著, 且能实现超1000h长循环;Li∥Cu电池测试表明, DFP电解液在25℃至-70℃宽温域内均保持超高的锂沉积/剥离库伦效率, 远优于低温下失效的DMP电解液. 同时通过从头算分子动力学模拟, XPS, TOF-SIMS表征, 证实DFP电解液能在锂负极表面形成有机/无机双层有序的稳定SEI膜, 而DMP电解液的SEI为无序混合结构;SEM观测还发现, DFP电解液中锂沉积形貌更致密均匀, 低温下也能保持良好的沉积形貌, 有效抑制枝晶生长. 图4高能量密度锂金属电池在不同温度下的电化学性能. (a)Li∥NMC811电池在4. 4至5. 0 V下恒压保持10小时, 1, 3-二甲氧基丙烷和1, 3-二氟丙烷电解液的漏电流密度;(b)使用1, 3-二氟丙烷电解液的Li∥NMC811电池中的倍率性能;(c)Li∥NMC811在25至-90摄氏度下的放电曲线;(d)不同温度下Li∥NMC811扣式电池的长循环性能;(e)(f)d图中Li∥NMC811电池在25摄氏度(e)和-70摄氏度(f)下对应的恒电流充放电曲线;(g)不同参数下Li∥NMC811软包电池的能量密度;(h)本研究制备的707瓦时每千克软包电池各组件的重量占比;(i, j)563, 606, 701和707瓦时每千克锂金属软包电池典型的恒电流充放电曲线(i)与循环性能(j);(k)以能量密度为横轴, 电池在70至-70摄氏度下的恒电流放电曲线;(l)Li∥NMC811软包电池在不同温度下充放电的循环性能. © 2026 Springer Nature 图5氢氟烃电解液向宽温域锂金属电池的拓展. (a)五种具有溶盐能力的合成单氟化氢氟烃的结构, 以及其对锂金属负极的稳定性规律;(b)所合成氢氟烃的液态温度范围;(c)80至-40摄氏度下, 采用Aurbach’s方法测试的锂铜电池恒电流锂沉积/剥离曲线;(d)80至-40摄氏度下, Li∥NMC811电池中的放电曲线. © 2026 Springer Nature 最后, 作者探究了DFP电解液在高能量密度锂金属电池中的电化学性能, 证实其具备超4. 9 V的高电压稳定性, 匹配高载量正极时倍率性能优异, 电池在-90℃仍有有效比容量, 扣式电池宽温域下可长循环, 基于该电解液的软包电池在低电解液用量下, 室温能量密度达707 Wh kg1, -50℃仍保持约400 Wh kg1的高能量输出. 作者研究进一步调控氢氟烃的碳链长度与氟化程度合成多款衍生物, 筛选出的TFPT电解液沸点更高, 液态温域更广, 实现-40℃至80℃的全温域锂沉积高可逆性, 匹配正极后电池在该温域内均有良好放电性能, 同时验证了氢氟烃电解液可拓展至石墨基锂离子电池, 钠金属电池等体系, 具备广泛的电化学适配性. 该研究首次建立了F配位化学电解液体系, 突破了传统氧/氮配位化学的固有局限, 为高能量密度, 宽温域锂金属电池的实用化提供了全新的电解液解决方案, 也为电化学储能器件的电解液设计开辟了新方向, 以“Hydrofluorocarbon electrolytes for energy-dense and low-temperature batteries”为题发表在国际顶级期刊Nature上, 引起了相关领域研究人员热议.  
三, [科学启迪] 综上所述, 本研究通过精准的分子工程设计, 成功合成出兼具高锂盐溶解度, 低粘度与宽电化学窗口的单氟化氢氟烃电解液, 首次构建起基于氟配位化学的全新电解液体系, 突破了传统氧/氮配位电解液在脱溶垒, 粘度与温域适应性上的固有性能折中难题. 未来可进一步围绕氢氟烃分子的氟化程度, 碳链结构开展精细化调控, 优化其高温稳定性与长期循环性能, 同时拓展该氟配位化学体系在钠离子, 钾离子等多价金属离子电池及新型电化学储能器件中的应用, 有望持续突破储能电池的能量密度, 温域适应性与循环寿命天花板, 推动高性能电化学储能技术的多元化发展与产业化落地. 原文详情:Wu, L. , Zhang, J. , Li, Y. et al. Hydrofluorocarbon electrolytes for energy-dense and low-temperature batteries. Nature (2026). https://doi. org/10. 1038/s41586-026-10210-6