在過(guò)去的幾十年中，電化學(xué)裝置的電解質(zhì)溶劑主要由氧(O)基和氮(N)基配體組成，對(duì)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(huì)阻礙電解質(zhì)-電極界面的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。

2026年2月25日，南開(kāi)大學(xué)趙慶、陳軍、上?？臻g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(kāi)展研究，打破長(zhǎng)久以來(lái)電解液中氧配位的動(dòng)力學(xué)束縛，設(shè)計(jì)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(shí)/公斤鋰金屬電池實(shí)現(xiàn)可逆循環(huán)。

在電化學(xué)儲(chǔ)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(duì)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(duì)Li+的強(qiáng)偶極-離子相互作用而在整個(gè)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(qiáng)Li+–O或sp–N結(jié)合同時(shí)導(dǎo)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(gè)問(wèn)題，人們提出了各種方法來(lái)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(jià)，這會(huì)導(dǎo)致高溶劑粘度。因此，探索具有快速Li+去溶劑化動(dòng)力學(xué)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(dòng)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(guò)增強(qiáng)F原子的路易斯堿性來(lái)微妙地設(shè)計(jì)唯一的HFCs-F和Li+配位，以使大量的Li鹽溶解，則可預(yù)測(cè)的低結(jié)合能將促進(jìn)高能量密度電池的界面動(dòng)力學(xué)。

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

在這里，通過(guò)合成具有單氟化結(jié)構(gòu)的烷烴，證明了具有設(shè)計(jì)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(guò)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(diǎn)，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(dǎo)率。通過(guò)在第一溶劑化殼層中引入F原子， 弱F–Li+配位促進(jìn)了Li電鍍/剝離過(guò)程，庫(kù)侖效率(CE)高達(dá)99.7%，交換電流密度比50°c時(shí)的O–Li+配位高一個(gè)數(shù)量級(jí)。電解液進(jìn)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(yùn)行，在室溫下實(shí)現(xiàn)大于700 Wh kg-1的能量密度，在50°c時(shí)實(shí)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(xué)系統(tǒng)提供了可行的方法。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持，依托特種化學(xué)電源全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、有機(jī)新物質(zhì)創(chuàng)造前沿科學(xué)中心、南開(kāi)大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院、物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實(shí)驗(yàn)室、空間電源全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)開(kāi)展。

參考消息：

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