固态电池量产太难？天津科研团队拔高液态电池天花板。

作者 | Janson

编辑 | 志豪

中国科学家最新研究可让电动汽车续航轻松翻倍，-50℃极寒环境依然可以持续输出！

车东西2月27日消息，日前，国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）发表了一项来自中国科学家的重磅成果。

▲最新研究成果登陆《自然》

南开大学化学学院赵庆研究员、陈军院士团队，联合上海空间电源研究所李永研究员，成功研发出一种全新的“氟配位”新型氟代烃电解液。

这项颠技术打破了锂电池的“低温魔咒”与“能量瓶颈”。

基于该电解液组装的锂金属电池，不仅在室温下实现了高达700Wh/kg的超高能量密度，更能在-50℃的极寒环境中保持接近400Wh/kg的输出能力。

当下主流高镍三元锂电池的密度约为250Wh/kg，如果该技术投入量产，不用固态电池，电池容量也可以轻松翻两倍。

如果是一辆500km续航的纯电车型，同样电池包大小的情况下，续航将直接来到1500km以上。

01.

新技术让电车续航翻倍

极寒环境也能打

研究中采用的新溶剂具备极佳的浸润性和像水一样顺畅的超低粘度（0.38 cp），电池内部的电解液用量被大幅压缩，在同容量下减轻了电池重量，同重量上则可以提升续航表现。

这样的设计不仅仅体现在能量密度上，在寒冷工况下的表现也有惊喜。

传统电池在冬季往往“大打折扣”，在-50℃以下甚至会直接失效罢工。

而此次研究的电池技术在-50℃的超低温环境中，依然能稳定输出约400 Wh/kg的高能量密度，彻底打破了传统电池的极寒禁区。

▲不同温度放电曲线

此外，这种电解液不仅能承受高达4.9V的高电压，还能在金属锂负极表面诱导形成一层坚固的双层固体电解质界面膜（SEI），有效抑制了容易引发短路的锂枝晶生长，使得锂的沉积/剥离库伦效率高达99.7%。

▲10μm下沉积锂在不同温度下的图像

这也可以有效提升锂电池的寿命，减缓衰减速度。

为什么过去的电池做不到这些？这要从传统电池的“基因缺陷”说起。

自锂电池发明以来，电解液（由锂盐和溶剂组成）就扮演着传输锂离子的角色。

长久以来，氧原子被认为是电解液溶剂中不可或缺的元素。

锂离子需要靠溶剂中的氧原子“抱着”才能溶解并在电池里游走，这被称为“氧配位”。

但这种传统的化学配位像是一个“粘性过强的拥抱”。

虽然它能很好地溶解锂盐，但在低温或快充时，由于结合得太紧，锂离子到了电极界面很难脱身（去溶剂化能垒高），导致电荷转移极其缓慢，电池在冬天就会被冻伤。

此外，这类溶剂浸润性差，必须加注很多，那多出来的重量直接拖累了电池的能量密度。

▲使用DMP和DFP电解质时电流密度

为了解决上述难题，南开大学团队另辟蹊径，提出用氢氟烃（HFCs）这类流动性好、耐高压的物质做溶剂，并挑战了一个传统难题：氟原子本来很高冷，对锂离子吸引力太弱，没法溶解足够的锂盐。

团队通过一系列分子级别的操作，设计合成了一系列单氟代烷烃溶剂（特别是1,3-二氟丙烷，简称DFP），在微观世界里找到了一个平衡点。

研究发现，相比带有两三个氟原子的基团，只带一个氟原子的基团（-CH2F）上的氟拥有更高的电子密度。

这提升了它对锂离子的吸引力，成功溶解了超过2 mol/L的高浓度锂盐。

在溶解锂盐的同时，该技术“氟-锂”的结合力依然比传统的“氧-锂”弱得多，使得锂离子在到达电极时能瞬间挣脱包裹。

▲不同物质的电化学性能

因此，数据显示，在-50℃时，其交换电流密度比传统电解液高出一个数量级，这也是能在极寒中保持电池容量的关键原因。

02.

中科院院士与南大化学院领衔

具有良好应用前景

这项研究不仅在基础科学层面开创了超越传统配位化学的新体系，更为未来能源应用打开了巨大的想象空间。

同时，团队通过调整碳链长度，还开发出了适应更高温度环境的分子，让“全天候”电池成为可能。

本研究由南开大学化学学院研究员赵庆，中国科学院院士、南开大学常务副校长陈军，联合上海空间电源研究所研究员李永共同完成。

▲赵庆研究员简历

赵庆研究员现任南开大学化学学院特聘研究员、博士生导师。他于2012年和2017年分别在南开大学化学学院获得化学学士和无机化学博士学位，随后在2017年至2021年于美国康奈尔大学化学与生物工程学院从事博士后研究，并于2021年加入南开大学。

他提到，“通过氟配位实现锂盐溶解的关键是调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，新研发的锂电池具有高比能、耐低温等显著优势。”

中国科学院院士、南开大学常务副校长陈军教授对该成果的应用前景表示了高度期待：“基于该电解液的高比能电池在新能源汽车、具身智能机器人、低空经济以及极寒地区和航空航天等领域具有广阔的应用潜力。”

03.

结语：锂电池再现重大突破

可以预见，随着该项技术的进一步成熟与工程化，未来的出行和装备将不再受制于严寒与重量。

从摆脱“掉电焦虑”的家用汽车，到翱翔低空的飞行器，再到极地科考与深空探测的尖端设备，都将拥有更加强健可靠的能量心脏。