锂电池的续航时间能否再长一点？低温环境下，锂电池能否正常工作？最近，南开大学和上海空间电源研究所团队在《自然》杂志发表了一项突破性成果——他们研制出多种含氟电解液，使锂电池的能量密度在室温下达到707瓦时/公斤，创世界纪录；在零下50℃环境下，仍能稳定输出约400瓦时/公斤的能量密度；即使在零下70℃环境下，其放电的容量保持率依然可观。这项成果在新能源汽车、低空经济、航空航天、具身智能机器人等领域有巨大的应用潜力。
目前市场上的锂电池，在室温下的能量密度为300瓦时/公斤左右；零下20℃环境下，能量密度会骤降到150瓦时/公斤以下。与中国科研团队发布的测试数据相比，差距非常大。
基于1,3-二氟丙烷电解液的软包电池在室温下实现707瓦时/公斤能量密度，并在-70℃仍保持良好放电能力。
为何能取得如此大的突破？上海空间电源研究所研究员李永介绍，几乎所有商用锂电池都用含氧或含氮的溶剂做电解液，因为氧分子和氮分子对锂离子有很强的吸引力，专业术语叫“强配位作用”，能使锂盐大量溶解。然而，这种强配位作用也有副作用——锂离子到达电极表面时，需要耗费大量能量才能挣脱溶剂分子的“拥抱”，完成脱溶剂化这一过程。在低温环境下，锂离子本就行动迟缓，再遇上脱溶剂化带来的高能垒，导致电池内阻飙升、性能骤降。
能否找到一种没有强配位作用，又能使锂盐大量溶解的新型电解液？过去，国外科学家尝试过全氟烷烃等普通的氟化溶剂，结果发现，虽然氟和锂离子可以结合，但两者的配位作用太弱，无法溶解足够多的锂盐，导电性差得没法用。
面对这个世界难题，中国科研团队采用“氟+碳+氢”的化合物设计思路，希望既利用氟与锂离子的弱配位作用，又能溶解足够多的锂盐。研究人员合成了多种单氟代烷烃，发现当氟原子以-CH₂F形式存在时，其电子云密度更高，足以溶解超过2摩尔/升的锂盐。低温环境下，氟和锂离子结合后只需要很少能量，就可以“分手”，使锂电池的低温性能大幅提升。
在原创设计并合成的单氟代烷烃中，1,3-二氟丙烷的性能最为突出。它的实验数据令人振奋：粘度比水还低，流动性极佳；离子电导率在零下70℃远超传统电解液；交换电流密度比传统醚类电解液高14倍，电极反应速度极快。
南开大学科研团队在实验室工作。（来源：南开大学）
凭借这些优越性能，1,3-二氟丙烷用作锂电池电解液，有望将手机、新能源汽车、无人机、人形机器人等产品的续航时间提升一倍以上。它还能消除锂电池低温性能不佳的短板，让新能源汽车在我国东北、西北以及全球更寒冷的地区也能正常行驶。在航天领域，如果使用这种新型锂电池，有望不再配备应对寒冷太空的环境控制系统，使卫星等航天器可以安装更多的载荷。在极地考察中，这种新型锂电池也能大显身手。
“在中国科学院院士陈军的带领下，我们实现了范式创新，用局部含氟的烃类电解液取代了传统的含氧含氮电解液。”李永告诉记者。未来，南开大学和上海空间电源研究所团队将进一步优化这种新型锂电池的一些性能，提高电池循环寿命，并开展安全性能测试等工作，为长续航、不怕冷的锂电池早日投入商用奠定基础。
原标题：《中国首创！锂电池续航时间提升一倍以上，零下50℃性能依旧一流｜新科普》
栏目主编：黄海华
来源：作者：解放日报 俞陶然
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