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奠定基礎，但會阻礙電解質-電極界面的電荷轉移過程。

2026年2月25日，南開大學趙慶、陳軍、上?？臻g電源研究所李永共同通訊在Nature在線發表題為“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，設計合成了系列氟配位的新型氟代烴溶劑分子，基于此構建的電解液體系，取代了傳統電解液的鋰-氧配位方式，助力700瓦時/公斤鋰金屬電池實現可逆循環。

在電化學儲能裝置中，電解質作為電荷載體和界面成形劑是至關重要的，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，為電解質中的鋰鹽離解提供了基礎。然而，強Li+–O或sp–N結合同時導致電極-電解質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上不同的配位結構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，則可預測的低結合能將促進高能量密度電池的界面動力學。

HFCs作為電解質溶劑的設計原則和特性（圖源自Nature）

在這里，通過合成具有單氟化結構的烷烴，證明了具有設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)的鋰離子電解質具有高能量密度和低溫電池的所有優點，包括低粘度(0.95 cp)、高氧化穩定性(> 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，在室溫下實現大于700 Wh kg-1的能量密度，在50°c時實現約400 Wh kg-1的能量密度。該研究中的氫氟烴(HFC)電解液為構建電化學系統提供了可行的方法。

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新群體、科技部重點研發計劃等項目支持，依托特種化學電源全國重點實驗室、有機新物質創造前沿科學中心、南開大學前沿交叉學科研究院、物質綠色創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