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米测MeLab

2026-03-06

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

电解质是电化学储能设备中关键的电荷载体。过去几十年，溶剂主要由氧（O）基和氮（N）基配体主导（如碳酸酯和醚类），它们通过强偶极-离子相互作用溶解锂盐。

关键问题

目前，电解质的应用主要存在以下问题：

1、锂离子去溶剂化动力学缓慢

传统溶剂与锂离子的强配位作用使得离子在进入电极表面前难以剥离溶剂壳层，显著阻碍了界面电荷转移。

2、氢氟碳化合物溶解锂盐能力受限

氢氟碳化合物（HFCs）虽具有低粘度和高耐压特性，但其弱 F–Li⁺ 配位导致其通常难以溶解足够的锂盐以维持高效运行。

新思路

有鉴于此，南开大学赵庆、陈军院士和上海空间电源研究所李勇等人通过合成具有单氟结构的烷烃，展示了设计有空间位阻和路易斯碱性的氟（F）基配体能够实现超过2 mol l⁻¹ 的盐溶解度。其中，基于 1,3-二氟丙烷（DFP）的锂离子电解质具备高能量密度和低温电池的所有优点，包括低粘度（0.95 cp）、高氧化稳定性（>4.9 V）以及在-70 °C下0.29 mS cm⁻¹的离子电导率。通过在第一溶剂化壳层中引入F原子，弱F–Li⁺ 配位促进了锂的镀敷/剥离过程，库仑效率（CE）高达99.7%，且在-50 °C下的交换电流密度比O–Li⁺配位高出一个数量级。该电解质进一步使锂金属软包电池在电解质量小于0.5 g Ah⁻¹的条件下运行，在室温下实现了大于700 Wh kg⁻¹的能量密度，在-50 °C下实现了约400 Wh kg⁻¹的能量密度。本工作中的氢氟碳（HFC）电解质为构建超越传统配位化学的电化学系统提供了一种可行的方法。

技术方案：

1、研究了单氟代HFCs的溶剂化结构与物理化学特性

单氟代DFP电解质中Li⁺主要与FSI⁻形成聚集体，弱F–Li⁺配位使其粘度极低（0.38 cp），-70°C电导率0.29 mS cm⁻¹，迁移数0.71，界面动力学优异。

2、探究了锂沉积动力学与可逆性

DFP电解质室温库仑效率99.7%，-70°C仍达98.0%，形成致密双层SEI促进离子迁移并抑制枝晶，低温下锂沉积均匀无空隙。

3、表征了锂金属电池的电化学性能

DFP电解质高压稳定性优异（>4.9 V），-90°C下容量100 mAh g⁻¹，Ah级软包电池能量密度达707 Wh kg⁻¹，-50°C仍保持约400 Wh kg⁻¹，应用潜力巨大。

4、展示了HFC 电解质的通用性和全温域应用前景

通过分子工程设计TFPT溶剂，液相范围-63至125°C，80°C库仑效率98.8%，电池在-40°C至80°C宽温域稳定运行，具有全温域应用前景。

技术优势：

1、通过单氟代分子工程突破了溶解度极限

研究通过设计单氟代（–CH₂F）烷烃，巧妙利用其较高的电子密度和低位阻特性，打破了传统 HFCs 难溶锂盐的局限，实现了高浓度电解质的制备。

2、实现了超高能量密度与极低温运行

本文利用弱F–Li⁺配位极大降低了界面能垒，使得700 Wh kg^-¹级的锂金属软包电池在贫液条件下不仅能在室温稳定循环，还能在-50 °C下保持高能量输出。

技术细节

溶剂化结构与物理化学特性

作者首先合成了六种单氟代HFCs，并发现其溶解能力受氟原子路易斯碱性和空间位阻共同支配。与多氟代基团相比，单氟代基团（–CH₂F）具有更高的电子密度，且位阻较小，有利于与 Li⁺ 结合。光谱分析显示，在 DFP 电解质中，Li⁺ 主要与 FSI⁻ 阴离子结合形成大量的离子对聚集体（AGG），而溶剂分子 DFP 仅以较弱的 F–Li⁺ 键参与配位。这种弱结合特性导致 DFP 表现出极低的粘度（0.38 cp）和优异的低温流动性。分子动力学模拟证实，Li⁺的传输遵循配体交换机制而非溶剂载体机制，这使得 DFP 在 -70 °C 下仍能保持 0.29 mS cm^-¹的高电导率，且其 Li⁺ 迁移数高达 0.71。此外，电压相关的模拟表明，在强电场下，弱配位的 DFP 分子能更轻易地从 Li⁺ 周围解离，从而在界面处展现出极快的动力学特征。

图  HFCs作为电解质溶剂的设计原则和特性

锂沉积动力学与可逆性

在锂金属负极兼容性测试中，DFP电解质展现了卓越的性能。由于其超低的去溶剂化能垒，DFP在-50 °C下的交换电流密度比醚类溶剂（DMP）高出一个数量级。实验测得DFP基电解质在室温下的库仑效率（CE）高达 99.7%，且在 -70 °C 的极端条件下仍能维持 98.0% 的高 CE，而对比组 DMP 在-20 °C左右便失效。通过 AIMD 模拟和 XPS 分析，作者发现 DFP 电解质倾向于在锂表面诱导形成一种双层固体电解质界面（SEI）：外层为有机组分，内层则富含无机物（如 Li₂S 和 LiF），这种结构致密且均匀，极大地促进了离子的快速迁移并抑制了锂枝晶的生长。SEM 图像验证了这一结果，显示在不同温度下，使用 DFP 沉积的锂晶粒均保持大尺寸且分布均匀，即便在极端低温下也没有明显的空隙产生。

图  电解质的溶剂化结构表征及离子传输机理

图  锂金属电镀/剥离和相应的SEI表征

锂金属电池的电化学性能

DFP 电解质不仅提升了低温表现，还具有优异的高压稳定性（氧化电位 >4.9 V），这得益于其独特的结构和形成的稳定阴极电解质界面（CEI）。在 Li∥NMC811 电池测试中，即使使用厚正极（22.4 mg cm^-2），其 2.0 C 的倍率容量仍达 180 mAh g^-1，且在 -90 °C 下依然能释放 100 mAh g^-1的容量。在严苛的贫液（E/C ≈ 5 g Ah^-1）和薄锂（50 μm）条件下，电池在室温和 -70 °C 下分别实现了 286 次和 185 次的稳定循环。最具突破性的是，作者制造了 Ah 级软包电池，在超低电解质比（0.48 g Ah^-1）和极高面容量正极的条件下，实现了 707 Wh kg^-1的创纪录能量密度。此外，该软包电池在 -50 °C 下仍能提供约 400 Wh kg^-1 的能量输出，证明了 HFC 电解质在极端环境和高能领域的巨大应用潜力。

图  不同温度下能量密集型LMB的电化学性能

分子工程扩展全天候电解质

为了应对更高温度（如80 °C）的应用，作者通过分子工程进一步调控HFCs 的碳链长度和氟原子数量。研究发现，虽然增加碳链可以提高沸点（如 DFH 沸点达129 °C），但过长的链长会导致C-F键增长，使其对金属锂不稳定并引发腐蚀。通过模仿DFP的结构特征，作者精准合成了TFPT溶剂。该溶剂结合了 DFP 的锂兼容性和长碳链的高沸点特性，其液相范围极广（-63 至 125 °C）。TFPT 基电解质在 80 °C 高温下仍能保持 98.8% 的锂沉积库仑效率，并使 NMC811 电池在 -40 °C 至 80 °C 的宽温域内稳定运行。最后，作者还证明了这类 HFC 电解质对石墨负极和钠金属电池系统同样具有良好的通用性，展示了其作为全温域电解质平台的广阔前景。

图  将HFC电解质扩展到宽温LMB

展望

本研究通过精确的分子结构调控，开发出了一系列基于单氟代氢氟碳（HFC）的高效电解质。该类电解质利用弱F–Li⁺配位化学，从根本上解决了传统氧基溶剂去溶剂化能垒高和低温性能差的问题。研究不仅在科学层面揭示了氟配位动力学的优势，更在应用层面助力锂金属电池突破了700 Wh kg⁻¹的能量密度极限，并实现了从-90 °C 到 80 °C的超宽温度运行，为下一代高性能储能系统提供了关键技术路径。

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