北京时间2月26日凌晨，国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）在线发表南开大学化学学院研究员赵庆，中国科学院院士、南开大学常务副校长、特种化学电源全国重点实验室主任陈军，联合上海空间电源研究所研究员李永在高比能锂电池领域的最新研究进展。
该研究题为“Hydrofluorocarbon electrolytes for energy-dense and low-temperature batteries”。团队围绕锂电池电解液开展研究，打破长久以来电解液中氧配位的动力学束缚，设计合成了系列氟配位的新型氟代烃溶剂分子，基于此构建的电解液体系，取代了传统电解液的锂-氧配位方式，助力700瓦时/公斤锂金属电池实现可逆循环。
自1800年伏特发明了电堆（伏特电池）起，电池已经深入到我们生活的各个角落。从铅酸电池、镍氢电池再到被称为现代社会“能量心脏”的锂电池，电池体系的变革离不开电解液的更新迭代。长久以来，氧原子被认为是电解液溶剂中不可或缺的元素。如目前商用的锂电池电解液通常由锂盐和碳酸酯类溶剂组成，锂与碳酸酯溶剂中氧的离子-偶极作用可促进锂盐的溶解。然而，这种溶剂浸润性差，用量多，导致电池能量密度始终难以进一步提升；同时，强相互作用会阻碍电池中界面电荷转移，限制低温性能，通常-50℃以下电池就难以工作。
氟配位卤代烃电解液的设计思路
为此，南开大学团队设计合成了系列新型氟代烃溶剂分子，通过调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，实现电解液中锂盐的有效溶解，成功取代了传统的锂-氧配位方式。
通过进一步优化分子结构，团队厘清了该类电解液的设计原则和锂金属相容性规律。相比于传统基于锂-氧配位的电解液体系，由于氟代烃溶剂浸润性好，利用率高，可显著降低电解液用量；同时锂与氟配位更弱，在低温下可摆脱束缚，仍具有快速的电荷转移动力学。从而助力实现室温700瓦时/公斤超高比能锂金属电池，同时在-50℃环境中，电池仍展现出接近400瓦时/公斤的高能量密度。
赵庆介绍，通过氟配位实现锂盐溶解的关键是调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，新研发锂电池具有高比能、耐低温等优势。
“基于该电解液的高比能电池在新能源汽车、具身智能机器人、低空经济以及极寒地区和航空航天等领域具有广阔的应用潜力。”陈军说。
该工作由南开大学联合上海空间电源研究所共同完成，南开大学为该论文第一完成单位。南开大学化学学院2022级博士研究生吴岚清为该论文第一作者，赵庆、陈军、李永为该论文通讯作者。南开大学化学学院研究生张劲羽、范振宇、任双鑫、张洁、李雅雯，倪优璇副教授、谢伟伟副研究员、卢勇研究员共同参与研究。
上述研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、面上项目、重大研究计划培育项目、国家自然科学基金委创新群体、科技部重点研发计划等项目支持，依托特种化学电源全国重点实验室、有机新物质创造前沿科学中心、南开大学前沿交叉学科研究院、物质绿色创造与制造海河实验室、空间电源全国重点实验室等平台开展。
来源：南开大学融媒体中心
记者：李享
摄影：李享
视频：于辰浩 李硕
编辑：刘喆萱
审核：吴军辉 高雨桐
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