北京時間2月26日凌晨，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院研究員趙慶，院士、南開大學(xué)常務(wù)副校長、特種化學(xué)電源全國重點實驗室主任陳軍，聯(lián)合上海空間電源研究所研究員李永在高比能鋰電池領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
該研究題為“Hydrofluorocarbon electrolytes for energy-dense and low-temperature batteries”。團(tuán)隊圍繞鋰電池電解液開展研究，打破長久以來電解液中氧配位的動力學(xué)束縛，設(shè)計合成了系列氟配位的新型氟代烴溶劑分子，基于此構(gòu)建的電解液體系，取代了傳統(tǒng)電解液的鋰-氧配位方式，助力700瓦時/公斤鋰金屬電池實現(xiàn)可逆循環(huán)。
自1800年伏特發(fā)明了電堆(伏特電池)起，電池已經(jīng)深入到我們生活的各個角落。從鉛酸電池、鎳氫電池再到被稱為現(xiàn)代社會“能量心臟”的鋰電池，電池體系的變革離不開電解液的更新迭代。長久以來，氧原子被認(rèn)為是電解液溶劑中的元素。如目前商用的鋰電池電解液通常由鋰鹽和碳酸酯類溶劑組成，鋰與碳酸酯溶劑中氧的離子-偶極作用可促進(jìn)鋰鹽的溶解。然而，這種溶劑浸潤性差，用量多，導(dǎo)致電池能量密度始終難以進(jìn)一步提升；同時，強(qiáng)相互作用會阻礙電池中界面電荷轉(zhuǎn)移，限制低溫性能，通常-50℃以下電池就難以工作。
為此，南開大學(xué)團(tuán)隊設(shè)計合成了系列新型氟代烴溶劑分子，通過調(diào)控氟原子的電子密度和溶劑分子的空間位阻，實現(xiàn)電解液中鋰鹽的有效溶解，成功取代了傳統(tǒng)的鋰-氧配位方式。
通過進(jìn)一步優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊厘清了該類電解液的設(shè)計原則和鋰金屬相容性規(guī)律。相比于傳統(tǒng)基于鋰-氧配位的電解液體系，由于氟代烴溶劑浸潤性好，利用率高，可顯著降低電解液用量；同時鋰與氟配位更弱，在低溫下可擺脫束縛，仍具有快速的電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)。從而助力實現(xiàn)室溫700瓦時/公斤超高比能鋰金屬電池，同時在-50℃環(huán)境中，電池仍展現(xiàn)出接近400瓦時/公斤的高能量密度。
趙慶介紹，通過氟配位實現(xiàn)鋰鹽溶解的關(guān)鍵是調(diào)控氟原子的電子密度和溶劑分子的空間位阻，新研發(fā)鋰電池具有高比能、耐低溫等優(yōu)勢。
“基于該電解液的高比能電池在新能源汽車、具身智能機(jī)器人、低空經(jīng)濟(jì)以及極寒地區(qū)和航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。”陳軍說。
該工作由南開大學(xué)聯(lián)合上?？臻g電源研究所共同完成，南開大學(xué)為該論文完成單位。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院2022級博士研究生吳嵐清為該論文作者，趙慶、陳軍、李永為該論文通訊作者。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院研究生張勁羽、范振宇、任雙鑫、張潔、李雅雯，倪優(yōu)璇副教授、謝偉偉副研究員、盧勇研究員共同參與研究。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項目、面上項目、重大研究計劃培育項目、國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體、重點研發(fā)計劃等項目支持，依托特種化學(xué)電源全國重點實驗室、有機(jī)新物質(zhì)創(chuàng)造前沿科學(xué)中心、南開大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院、物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實驗室、空間電源全國重點實驗室等平臺開展。
來源：南開大學(xué)融媒體中心
