-70℃不凝固！中国科学家破解百年电解质难题，打造超700 Wh/kg锂金属电池

氟原子取代氧原子，开启电解质的“氟”时代

当我们谈论电池时，大多数人关注的是正负极材料。然而，真正决定电池性能上限的，往往是那个被忽视的角色——电解质。

今天，一项发表于《Nature》的研究《Hydrofluorocarbon electrolytes for energy-dense and low-temperature batteries》彻底改写了电解质的游戏规则。来自中国的南开大学陈军院士，赵庆特聘研究员和上海空间电源研究所李永研究员等人科研团队成功合成了一类全新的氢氟碳化合物（HFC）电解质，不仅实现了700 Wh/kg的超高能量密度，还能在-70℃的极端低温下正常工作！

百年难题：氧的诅咒

自锂电池诞生以来，电解质溶剂几乎被含氧（O）和含氮（N）的化合物垄断。碳酸酯、醚类、腈类……这些传统溶剂依靠氧原子与锂离子的强相互作用来溶解锂盐，形成导电离子。

然而，成也氧，败也氧。

强相互作用是一把双刃剑：它让锂盐溶解，却也给锂离子戴上了“枷锁”。当锂离子需要在电极界面脱去溶剂分子进入电极时，强相互作用变成了巨大的脱溶剂化能垒——就像把一块泡了水的海绵从水中拽出来，需要克服水的吸附力。

这个能垒在低温下尤为致命。当温度降至-20℃以下，传统电解质的离子电导率急剧下降，电池几乎无法工作。这也是为什么你的手机在东北的冬天会突然关机。

图 1 | HFCs 作为电解质溶剂的设计原理和特性。
a, 与 -CHF₂ 和 -CF₃ 基团相比，-CH₂F 基团中 F 原子上的更高电子密度有利于离子解离。b, 基于这一原理，设计并合成了双侧单氟化烷烃 DFB 和 DFP，它们显示出对 LiFSI 和 NaFSI 的高溶解度（>2 mol l⁻¹）。然而，具有相似结构的 iso-DFB 由于庞大的甲基引起的空间位阻而无法溶解盐。c, 计算从单晶到孤立 Li⁺ 和阴离子的能量变化。d,e, 合成的 HFCs 和锂离子电池常用溶剂的电离电位（d）以及 Li⁺ 结合能和粘度（25°C）（e）图。这些溶剂包括醚类（1,2-二甲氧基乙烷，DME；1,3-二甲氧基丙烷，DMP）、氟化醚类（双(2,2,2-三氟乙基)醚，BTFE；1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚，TTE）、碳酸酯类（碳酸乙烯酯，EC；碳酸二甲酯，DMC）、氟化碳酸酯（氟代碳酸乙烯酯，FEC）和高度氟化的 HFCs（2H, 3H-十氟戊烷，HFC1；1,1,2,2,3,3,4-七氟环戊烷，HFC2）。

破局者：氟的新角色

研究团队将目光投向了氟（F）元素。氢氟碳化合物（HFC）早就以其优异的流动性和高电压耐受性闻名，但有一个致命弱点：F与Li⁺的相互作用太弱，无法有效溶解锂盐。

如何让弱相互作用的氟原子承担起溶解锂盐的重任？

答案藏在分子设计中。研究团队发现两个关键规律：

第一，电子密度是关键。单氟化的-CH₂F基团比多氟化的-CHF₂和-CF₃基团具有更高的电子密度，这让氟原子更“慷慨”地与锂离子分享电子。

第二，空间位阻决定亲和力。低位阻的氟原子更容易接近锂离子。

基于这两个原则，他们设计并合成了一系列单氟化烷烃，其中最引人注目的是1,3-二氟丙烷（DFP）。

图 2 | 电解质的溶剂化结构表征和离子传输机制。
a-c, DFP 和 DFB 电解质的拉曼光谱 (a)、⁷Li NMR (b) 和 ¹⁹F NMR (c)。同时测量了 DMP 电解质（a 和 b 中）作为参考。d, DFP 和 DFB 电解质的离子电导率。图中标明了 Vogel-Tammann-Fulcher 活化能 (Ea) 和锂离子扩散系数 (LDC)。e, MD模拟盒的快照（左）和典型的溶剂化结构单元（右）。f, Li⁺与 DFP（或 FSI⁻ 中的 O 和 F）之间以及 Li⁺ 与 DFP 中 F 之间的径向分布函数 (RDF)。g, Li⁺ 和 FSI⁻ 在 DFP 电解质中的均方位移 (MSD)。h, 在不同电场强度下 DFP 溶剂分子参与第一溶剂化壳层的比例。

图 3 | 锂金属沉积/剥离及相应的 SEI 表征。
a, 使用 DMP 和 DFP 电解质的 Li||Li 对称电池的交换电流密度。b, 使用 DMP 和 DFP 电解质的 Li||Li 对称电池在 1 mA cm⁻² 和 1 mAh cm⁻² (25°C) 条件下的恒电流锂剥离/沉积曲线。c, 使用 DFP:LiFSI 摩尔比为 20、10 和 5 的 DFP 电解质的 Li||Cu 电池在 0.5 mA cm⁻² 和 1 mAh cm⁻² (25°C) 条件下的锂剥离/沉积库仑效率与循环次数的关系。d, 使用 DMP 和 DFP 电解质在 25、-20、-50 和 -70°C 下的 Li||Cu 电池的恒电流锂剥离/沉积曲线（Aurbach 方法）。e, AIMD 模拟中 DFP 电解质在锂金属表面的分解过程快照。f,g, 在 DMP 和 DFP 电解质中循环后，锂金属表面 SEI 的 XPS 深度剖析结果：f, 原子浓度随溅射时间的变化；g, S 2p 谱。h, 在 DMP 和 DFP 电解质中形成的 SEI 的 TOF-SIMS 深度剖析 3D 渲染图。i, 在 DFP 电解质中，于 25、-50 和 -70°C 下沉积锂的 SEM 图像。比例尺，10 μm。

数据：全面超越

DFP电解质的性能令人惊叹：

✅ 超低粘度：0.95 cp（25℃），远低于传统碳酸酯电解质
✅ 超高氧化稳定性：>4.9 V，支持高电压正极材料
✅ 极限低温导电性：-70℃时仍有0.29 mS cm⁻¹的离子电导率
✅ 超高锂沉积/剥离效率：25℃时达99.7%，-70℃时仍保持98.0%
✅ 极快界面动力学：-50℃时的交换电流密度是传统电解质的14.2倍

这些数字的背后，是全新的离子传输机制。与传统电解质中溶剂主导的“载体机制”不同，DFP电解质中锂离子采用配体交换主导的迁移方式——离子在FSI⁻阴离子构建的网络中快速跳跃，而不是背着沉重的溶剂分子缓慢移动。

从微观到宏观：软包电池的惊人表现

理论再好，最终要用实际电池说话。

研究团队组装了多种规格的锂金属软包电池，结果令人振奋：

7 Ah级软包电池：

• 能量密度：563 Wh kg⁻¹（2.8-4.4 V）和606 Wh kg⁻¹（2.8-4.5 V）
• 循环寿命：100次循环后容量保持78.3%

13 Ah级超高能量密度电池：

• 能量密度突破707 Wh kg⁻¹（基于电池总重量）！
• 采用Ni96高镍正极、20 μm超薄锂负极
• 电解液用量低至0.48 g Ah⁻¹

更令人惊叹的是低温性能：

• -50℃时仍能输出397.6 Wh kg⁻¹的能量密度
• -70℃时仍有326 Wh kg⁻¹的能量输出
• 甚至在-90℃的极端低温下，电池仍可工作！

图 4 | 能量密集型锂金属电池在不同温度下的电化学性能。
a, DMP 和 DFP 电解质在 Li||NMC811 电池中通过在不同电压 (4.4 - 5.0 V) 下保持 10 小时测得的漏电流密度。b, DFP电解质在 Li||NMC811 电池中的倍率性能。c, Li||NMC811电池从 25 到 -90°C 的放电曲线。d, Li||NMC811电池在不同温度下的长期循环性能。电池组装采用 50 μm 锂负极、22.4 mg cm⁻² NMC811 正极和约 5.0 g Ah⁻¹ 的电解液与正极容量比 (E/C)。e,f, 对应的 Li||NMC811 电池在 25°C (e) 和 -70°C (f) 下的恒电流充放电曲线。g,h, 在室温下，使用 DFP 电解质、具有不同能量密度的 Li||NMC811 (g) 和 Li||Ni96 (h) 软包电池的充放电曲线。i,j, 相应的 Li||NMC811 软包电池在室温下的循环性能。k, 基于软包电池总重量的能量密度比较。l, Li||Ni96软包电池在 -50 和 -70°C 下的放电曲线。m, 本工作中软包电池的性能与其他已报道工作的比较。

图 5 | 将 HFC 电解质扩展到宽温域锂金属电池。
a, 五种合成的具有溶盐能力的单氟化 HFC 的结构，以及研究得出的对金属锂负极稳定性的规律。b, 合成的 HFCs 的液态范围。c, 使用 2 M LiFSI/TFPT 电解质的 Li||Cu 电池从 80 到 -40°C 的恒电流锂剥离/沉积曲线（Aurbach 方法）。d, 使用 TFPT 电解质的 Li||NMC811 电池从 80 到 -40°C 的放电曲线。

分子工程：打造全气候电解质

DFP虽然性能优异，但沸点较低（约70℃），限制了高温应用。研究团队进一步通过分子工程，设计了一系列碳链长度和氟化程度不同的HFC溶剂。

其中最成功的1,3,5-三氟戊烷（TFPT）：
✅沸点提升至125℃

• ✅凝固点低至-63℃
• ✅从80℃到-40℃的宽温区内保持优异性能
• ✅与锂金属负极良好兼容

这意味着，基于HFC的电解质技术有望实现从-70℃到80℃的全气候应用！

科学启示：重新定义配位化学

这项工作的深远意义，不仅在于创造了一类高性能电解质，更在于挑战了电化学领域的百年范式。

过去我们默认：要溶解锂盐，必须用强配位原子（O、N）。弱配位的F原子注定只能做配角。

而现在，通过精密的分子设计——增强F原子的电子密度、降低空间位阻——研究团队成功让弱配位的F原子担纲主角，构建了全新的氟配位化学。

这一突破不仅适用于锂电池。研究团队还验证了HFC电解质在钠金属电池中的可行性，为下一代低成本、高能量密度电池系统开辟了新路径。

未来已来

当然，从实验室到产业化仍有挑战：成本控制、规模化合成、长期循环稳定性……但方向已经明确。

当我们站在能源转型的十字路口，当电动汽车需要在北极圈内行驶，当无人机需要飞越高空，当手机需要在冰天雪地中保持电量——HFC电解质提供了一条充满希望的路径。

也许不久的将来，我们的电池标签上会标注：“采用HFC电解质技术，-70℃正常工作”。

这项由中国科学家主导的突破性研究，不仅发表在顶级期刊《Nature》上，更向世界展示了中国在电化学能源领域的创新实力。从跟随到引领，中国科学家正在重新定义电池的未来。

参考文献：Wu, L., Zhang, J., Li, Y. et al. Hydrofluorocarbon electrolytes for energy dense and low-temperature batteries. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10210-6

来源：电解质前沿