降低溶剂化能力在电解质溶剂设计中已展现出提升锂金属电池循环性能的巨大潜力，但存在动力学迟缓以及锂枝晶形成不受控的问题，尤其在低温条件下。

2025年12月9日，华南师范大学郑奇峰在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Rational electrolyte solvent screening for high-energy lithium metal batteries at low temperatures》的研究论文，Zehang Peng、Kui Ding为论文共同第一作者，郑奇峰为论文通讯作者。

在此，作者提出了一条合理筛选电解质溶剂的指导原则：将配位氧的受约束静电势作为量化溶剂化效应的一个描述符，随后引入偶极矩作为校正描述符，以优化溶剂对电场的敏感性和界面稳定性。在这一筛选原则的指导下，研究人员合理设计出一类不对称氟化醚，其中具有适中配位氧受约束静电势和偶极矩的3,3,3-三氟丙基-1-甲基醚，能够与锂离子形成稳定的六元螯合结构，显著提升了在30至-60°C范围内的锂动力学性能和可逆性。凭借其良好的阳极稳定性，这种单盐单溶剂电解质使得50μm Li||4.0 mAh cm^-2镍钴锰酸锂（LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂）扣式电池在常温及低温下循环200次后，容量保持率仍能超过90%。一款实用的锂金属软包电池在-40°C下循环40次后，仍能实现345.3 Wh kg^-1的高比能量（基于所有组件的质量）。

锂金属电池（LMBs）极具应用前景，其正极理论容量高、密度低且还原电位最低（相对于标准氢电极 SHE 为−3.04 V），有望将电池比能量提升至400 Wh kg⁻¹以上。然而，锂金属反应活性高，且充放电过程中体积变化大，不可避免地会导致不稳定的固体电解质界面形成和锂的不均匀沉积，进而引发锂枝晶生长和死锂产生，这会降低库仑效率并极大限制LMBs的循环寿命。当LMBs在低温环境（<−30 °C）下工作时，由于动力学迟缓，这些问题会进一步加剧，但该温度条件对于海底作业、极地考察和边境巡逻等应用场景而言至关重要。电解质工程是缓解上述问题的一种经济高效的方法。为满足高能低温 LMBs 的需求，电解质需同时满足以下关键要求：（i）能够形成坚固且导电的SEI，以实现快速锂离子迁移和高可逆的锂沉积 / 剥离；（ii）锂离子去溶剂化动力学快，同时保持足够的锂盐解离度；（iii）阳极稳定性高，能够匹配高电压、高容量层状正极材料（如富镍型LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811））。目前已提出多种电解质设计策略，包括功能添加剂、高浓度电解质（HCEs）、局部高浓度电解质（LHCEs）和弱溶剂化电解质（WSEs）。

在各类电解质设计策略中，通过空间位阻、改变螯合位点或结构以及引入氟取代来削弱溶剂的溶剂化能力，是最具前景的方法。锂离子 - 溶剂配位作用的减弱，不仅能促进去溶剂化过程，还能增强锂离子 - 阴离子配对，从而在常规浓度下促成阴离子衍生的富无机SEI形成，同时提升电化学动力学性能和可逆性。研究较为深入的1,2 - 二甲氧基乙烷（DME）溶剂具有乙二醇主链（即双齿配体），倾向于与锂离子形成稳定的五元环螯合结构，但存在去溶剂化能较高的问题。Chen等人通过将DME上的甲氧基取代为更大尺寸的乙氧基，开发出 1,2 - 二乙氧基乙烷（DEOE）电解质，其锂离子溶剂化能力减弱，锂库仑效率得到提升。Li等人进一步对DEOE的内侧α- 氢进行甲基化，得到1,2 - 二乙氧基丙烷（DEP），其溶剂化能力进一步降低，锂库仑效率提升至约99.5%。此外，Yu等人通过部分或完全氟取代修饰DEOE的乙氧基，获得了锂库仑效率>99.5%的电解质，并实现了高电压NMC811 电池的稳定运行。最近，Choi等人提出不对称分子设计策略，开发出仅一侧含氟的醚类溶剂 —— 不对称1-（2,2,2 - 三氟）乙氧基 - 2 - 甲氧基乙烷，该溶剂为高功率LMBs提供了快速的氧化还原动力学。

与研究广泛的双齿配体DME系列溶剂不同，单齿醚类溶剂的溶剂化能力显著更低，为LMBs在低温下的运行提供了巨大潜力。Holoubek 等人采用乙醚（DEE）调控电解质溶剂化结构，使得锂 || 硫化聚丙烯腈（SPAN）扣式电池在−40 °C和−60 °C循环时，分别保留了室温容量的84%和76%。Zhang等人选用DEE与DME组成的二元溶剂（体积比 9:1），并添加0.1 M全氟烷基磺酰基季铵硝酸盐（PQA-NO₃），所开发的电解质实现了锂 ||NMC811扣式电池在−60 °C下的稳定循环。Huang等人报道了一种具有局部偶极矩的2,2 - 二氟乙酸乙酯（EA-2F）溶剂，该溶剂使锂 ||LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂（NMC622）软包电池在−20 °C 下，以350 Wh kg⁻¹的高比能量稳定循环 75 次。尽管已取得这些令人鼓舞的进展，但现有报道的电解质仍无法实现比能量超过300 Wh kg⁻¹的LMBs在低温（<−30 °C）下的稳定循环。此外，过度削弱溶剂化能力会导致离子电导率降低，进而阻碍本体电解质中的锂离子传输。因此，必须精心调控溶剂结构，以平衡离子传输动力学、去溶剂化过程和锂离子通过SEI的迁移效率。

本研究设计了一系列不对称醚类溶剂（图 1a），并对其溶剂化能力进行了量化。如图1b所示，通过引入配位氧的约束静电势（RESP，记为 RESPO）和偶极矩（μ）这两个双描述符，建立了适宜的离子-偶极相互作用，为LMBs电解质的合理溶剂筛选提供了依据。基于这一RESPO-μ 筛选原则，研究人员确定3,3,3-三氟丙基-1-甲基醚（TFPM）是一种有望实现高能LMBs低温运行的溶剂。TFPM基电解质通过锂-氟和锂-氧双配位作用，形成稳定的六元环螯合溶剂化结构（图 1c），有望同时提升离子电导率、去溶剂化动力学性能和界面稳定性，从而在30 °C至−60 °C范围内实现高可逆的锂沉积/剥离和均匀的沉积形貌。此外，采用TFPM电解质的50 μm Li ||4.0 mAh cm⁻² NMC811实用化电池，在30 °C和−40 °C下均实现了超过200次循环。值得注意的是，Li ||LiNi_0.9Mn_0.05Co_0.05O₂（NMC9055）原型软包电池在−40 °C 下的比能量高达345.3 Wh kg⁻¹，且能稳定循环40次，容量保持率达90.8%。

图 1：溶剂的设计理念与筛选原则。(a) 基于单齿二乙醚（DEE）的不对称醚类溶剂设计理念。(b) 基于相对静电势（RESPO）和偶极矩（μ）双描述符的筛选原则。(c) 四氟甲氧基丙烷（TFPM）与锂离子形成六元螯合结构的示意图。注：DEE：二乙醚，THF：四氢呋喃，2MeTHF：2 - 甲基四氢呋喃，THP：四氢吡喃，BTFE：双 (2,2,2 - 三氟乙基) 醚，BDE：双 (2,2 - 二氟乙基) 醚，TFFE：2,2,2 - 三氟乙基 - 2 - 氟乙基醚，DFE：2,2 - 二氟乙基 - 2 - 氟乙基醚，BFE：双 (2 - 氟乙基) 醚，TFME：1,1,2,2 - 四氟乙基甲基醚，TFPM：1,1,2,2 - 四氟 - 3 - 甲氧基丙烷，TTE：1,1,2,2 - 四氟乙基 - 2,2,3,3 - 四氟丙基醚，HFE：1,1,2,2 - 四氟乙基 - 2,2,2 - 三氟乙基醚。

图 2：溶剂的配位化学特性。(a-d) 单个锂离子与单个溶剂分子的配位结构及对应结合能。紫色、红色、青色、灰色和白色球体分别代表锂离子、氧（O）、氟（F）、碳（C）和氢（H）。(e) 不同电解液的锂 - ⁷ 核磁共振（⁷Li NMR）谱图。(f) 溶剂溶解双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）盐前后的氧 - ¹⁷ 核磁共振（¹⁷O NMR）谱图，(g) 氟-¹⁹ 核磁共振（¹⁹F NMR）谱图。

图 3：锂离子（Li⁺）溶剂化结构的理论与实验研究。基于分子动力学（MD）模拟得到的 (a) 2 mol/L（M）LiFSI/PM、(b) 2 M LiFSI/BM、(c) 2 M LiFSI/TFPM、(d) 2 M LiFSI/TFBM 电解液的一级溶剂化鞘层组成分布。分子动力学模拟计算的 (e) 2 M LiFSI/PM、(f) 2 M LiFSI/BM、(g) 2 M LiFSI/TFPM、(h) 2 M LiFSI/TFBM 电解液的径向分布函数（RDF）。(i) 电解液中锂离子（Li⁺）第一溶剂化鞘层（距离 Li⁺ 3 Å 范围内）内双氟磺酰亚胺根离子（FSI^-）与溶剂分子的比例。(j) 2 M LiFSI 电解液及其纯溶剂的拉曼（Raman）谱图。(k) 不同电解液的平均去溶剂化能（Avg. ΔE_dsv）。

图 4：锂金属的可逆性与沉积形貌。(a) 改进型奥巴赫（Aurbach）测试，(b) 锂 || 铜（Li||Cu）电池在30 ℃、电流密度1.0 mA cm^-2、沉积容量1.0mAh cm^-2条件下的循环性能。Li||Cu电池在 (c) −40 ℃、电流密度1.0 mA cm^-2、沉积容量1.0 mAh cm^-2，(d) −60 ℃、电流密度0.1 mA cm^-2、沉积容量0.1 mAh cm^-2 条件下的改进型Aurbach测试。使用不同电解液时，(e) −40 ℃下沉积 5.0 mAh cm^-2锂金属后铜箔的扫描电子显微镜（SEM）图像及对应光学照片（比例尺 = 10 微米（μm）），(f) −60 ℃下沉积 2.0 mAh cm^-2锂金属后铜箔的SEM图像及对应光学照片（比例尺 = 5 μm）。

图 5：电化学动力学与界面分析。(a) 氩离子（Ar⁺）溅射 120 秒前后，锂金属表面固体电解质界面（SEI）的原子比例。(b) 锂金属在不同 Ar⁺溅射时间下的氟 - 1s（F 1s）X 射线光电子能谱（XPS）谱图。锂金属沉积于铜箔，取自 Li||Cu 电池在 30 ℃、电流密度 1.0 mA cm^-2、沉积/剥离容量 1.0 mAh cm^-2条件下循环 10 次后。Li||Cu 电池循环 10 次后在 (c) 30 ℃、(d) −40 ℃、(e) −60 ℃下的电化学阻抗谱（EIS）。(f) 高偶极矩（μ）和中等偶极矩溶剂组成的电解液中，电化学动力学与界面形成的示意图。

图 6：Li||NMC811扣式电池的电化学性能。(a) 电解液在NMC811电极上4.0–4.5伏（V）范围内的电化学浮充测试。(b) Li||NMC811电池在30 ℃下的倍率性能（1 C=210mA g^-1）。Li||NMC811电池在30 ℃下 (c) 2.0 C、(d) 5.0 C 倍率下的循环性能。使用薄锂金属（50 微米）和高面容量 NMC811 正极（4.0 mAh cm^-2）的 Li||NMC811电池，(e) 30 ℃下0.2 C充电/0.5 C放电，(f) −40 ℃下 0.1 C充电/放电的循环性能。

图 7：实用化锂金属软包电池的性能评估与本工作总结。(a) 使用TFPM电解液的Li||NMC9055软包电池在25 ℃下的循环性能，(b) 充放电曲线。(c) 使用TFPM电解液的Li||NMC9055软包电池在−40 ℃下的循环性能。(d) 本工作与已报道的低温（≤−20 ℃）锂金属软包电池的性能对比，(e) 弱溶剂化溶剂中平衡去溶剂化与界面稳定性的筛选原则示意图。(f) 从五个方面评估所设计电解液的雷达图，每种电解液按 0–10 分评级（10 分为理想性能）。

该研究提出以“氧原子受限静电势（RESPO）-偶极矩（μ）”为双描述符的理性溶剂筛选策略，设计并合成了非对称氟化醚TFPM，构建出六元螯合溶剂化结构，实现锂金属电池在−60 °C至30 °C范围内高效可逆循环；50 μm薄锂||4.0 mAh cm^-2 NMC811电池在−40 °C仍保持>90 %容量达200圈，6.3 Ah级软包电池在−40 °C下以345 Wh kg^-1高比能量稳定循环40圈，为极寒环境高能量密度动力电池提供了可扩展的电解液解决方案。

Peng, Z., Ding, K., Lai, M. et al. Rational electrolyte solvent screening for high-energy lithium metal batteries at low temperatures. Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67290-7

文章来源：电池未来

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