南開大學(xué)Nature重磅突破：氟原子上位，鋰電池迎來零下70度極寒時代

研究核心亮點(diǎn)：

室溫能量密度突破700 Wh每公斤，達(dá)到普通鋰電池的兩到三倍。零下50度低溫下仍保持近400 Wh每公斤高能量密度。首次實(shí)現(xiàn)氟配位取代傳統(tǒng)氧配位電解液體系。為新能源汽車、極地裝備、航空航天等領(lǐng)域帶來全新動力方案。

一、百年困局：為什么鋰電池一到冬天就罷工

自1800年伏特發(fā)明電池以來，電解液始終是決定電池性能的靈魂。

目前商用的鋰電池電解液，核心邏輯是鋰氧配位。鋰離子與碳酸酯溶劑中的氧原子通過強(qiáng)偶極作用結(jié)合，實(shí)現(xiàn)溶鹽和傳導(dǎo)。

但這個設(shè)計有個致命缺陷。

強(qiáng)相互作用形成溶劑化包袱，導(dǎo)致界面去溶劑化勢壘高，電荷轉(zhuǎn)移慢。溶劑浸潤性差，用量大，嚴(yán)重拖累能量密度。低溫下動力學(xué)急劇惡化，零下50度以下基本停擺。

這就是為什么電動車冬天續(xù)航腰斬，為什么極地科考設(shè)備需要笨重的保溫系統(tǒng)，為什么高空無人機(jī)飛不高、飛不遠(yuǎn)。

氧配位，成了鋰電池邁向高能量密度、全氣候應(yīng)用的天花板。

二、顛覆性創(chuàng)新：讓氟原子來配位

南開大學(xué)陳軍院士、趙慶研究員團(tuán)隊，聯(lián)合上海空間電源研究所李永研究員，在《自然》發(fā)表最新成果，首次用氟配位徹底顛覆了傳統(tǒng)電解液設(shè)計范式。

核心思路是單氟代烷烴分子設(shè)計。

研究團(tuán)隊提出兩條黃金法則。

第一，增強(qiáng)氟原子路易斯堿性。選擇單氟取代的CH2F基團(tuán)，而非CHF2或CF3結(jié)構(gòu)，使氟原子電子云密度更高，溶鹽能力更強(qiáng)。

第二，降低空間位阻。分子結(jié)構(gòu)更苗條，更易與鋰離子親密接觸。

基于此，團(tuán)隊設(shè)計合成了1,3-二氟丙烷等新型氫氟烴溶劑，配合低解離能的雙氟磺酰亞胺鋰鹽，構(gòu)建出全新電解液體系。

三、性能數(shù)據(jù)：極寒不減速

離子傳導(dǎo)方面，DFP電解液在零下70度仍保持0.29毫西門子每厘米的電導(dǎo)率，而傳統(tǒng)電解液在此溫度下基本失效。

能量密度方面，室溫軟包電池達(dá)到707 Wh每公斤，這是通過降低電解液用量至每安時0.48克實(shí)現(xiàn)的。在零下50度低溫下，仍保持接近400 Wh每公斤。

循環(huán)壽命方面，4.4伏高電壓下穩(wěn)定運(yùn)行286圈，零下70度下185圈。

全氣候適應(yīng)方面，通過分子工程延長碳鏈、調(diào)控氟取代位置，設(shè)計出高沸點(diǎn)單氟烴。其液相區(qū)間覆蓋零下117度到125度。80度高溫下電池輸出216毫安時每克，零下40度仍有165毫安時每克。

四、科學(xué)揭秘：為什么氟配位更強(qiáng)

溶劑化結(jié)構(gòu)大不同。

傳統(tǒng)醚類電解液以溶劑分離離子對為主，溶劑霸占鋰離子。而DFP氟配位體系以離子聚集體為主，氟與鋰離子配位較弱，更多雙氟磺酰亞胺陰離子進(jìn)入第一溶劑化殼層，鋰離子結(jié)合能顯著低于含氧溶劑。

離子遷移機(jī)制升級。

分子動力學(xué)模擬顯示，DFP體系中鋰離子運(yùn)動呈現(xiàn)配體交換主導(dǎo)機(jī)制，而非傳統(tǒng)笨重的載體機(jī)制。這就像從坐公交升級為騎共享單車，靈活高效，低溫下依然暢行無阻。

界面固態(tài)電解質(zhì)膜更穩(wěn)定。

原位從頭算分子動力學(xué)模擬和光電子能譜分析揭示，DFP體系形成雙層固態(tài)電解質(zhì)膜結(jié)構(gòu)。內(nèi)層富含硫化鋰等無機(jī)組分，致密堅固。外層為有機(jī)緩沖層，柔韌保護(hù)。結(jié)果是鋰金屬沉積均勻致密，即使在零下70度仍平整如新，徹底抑制枝晶生長。

五、應(yīng)用場景：這些領(lǐng)域?qū)⒈桓膶?/strong>

陳軍院士指出，基于該電解液的高比能電池將在多個領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊潛力。

新能源汽車領(lǐng)域，冬季續(xù)航不再骨折，北方市場全面打開。

具身智能機(jī)器人領(lǐng)域，高能量密度支撐長時間自主作業(yè)。

低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，輕量化加寬溫域使城市空中交通成為可能。

極地科考和深海探測領(lǐng)域，擺脫笨重保溫系統(tǒng)，裝備小型化。

航空航天領(lǐng)域，全氣候適應(yīng)，從高空無人機(jī)到衛(wèi)星電源。

六、科研團(tuán)隊

第一完成單位為南開大學(xué)。

通訊作者為趙慶研究員、陳軍院士和李永研究員。

第一作者為吳嵐清，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院2022級博士研究生。

研究依托特種化學(xué)電源全國重點(diǎn)實(shí)驗室、有機(jī)新物質(zhì)創(chuàng)造前沿科學(xué)中心、物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實(shí)驗室等平臺開展。

結(jié)語

從鋰氧配位到鋰氟配位，看似只是一個原子的替換，實(shí)則是電池化學(xué)百年發(fā)展史上的一次范式躍遷。

南開大學(xué)團(tuán)隊用系統(tǒng)的分子設(shè)計、深入的機(jī)理研究和扎實(shí)的器件驗證，證明了弱配位加低黏度策略可以同時實(shí)現(xiàn)低溫快動力學(xué)與高電壓穩(wěn)定性的統(tǒng)一，為高能量密度、寬溫域鋰金屬電池開辟了全新路徑。

當(dāng)氟原子在電解液中上位，我們離全氣候能源系統(tǒng)的時代，又近了一大步。