在过去几十年中，电化学器件所使用的电解液溶剂主要以含氧（O）和含氮（N）配体为主。
在这类体系中，偶极–离子（如 Li⁺、Na⁺ 等）相互作用通常构成离子解离与传输的基础，但同时也会在电解液–电极界面处抑制电荷转移动力学。
在此，来自上海空间电源研究所的李永、南开大学&海河可持续化学转化实验室的赵庆、陈军院士等研究者通过合成具有单氟取代结构的烷烃分子，证明了基于氟（F）的配体在合理设计空间位阻与路易斯碱性的前提下，可实现超过2molL-1的高浓度盐溶解能力。相关论文以题为“Hydrofluorocarbon electrolytes for energy-dense and low-temperature batteries”于2026年02月25日发表在Nature上。
电解液在电化学储能器件中至关重要，既是电荷传输的载体，也是界面结构（SEI/CEI）的塑造者，尤其对于高能量密度的锂金属电池（LMBs）而言更为关键。
长期以来，含氧配体（如碳酸酯、醚类）和含氮配体（如腈类，含 sp 杂化氮原子，sp–N）的溶剂因其对 Li⁺ 具有较强的偶极–离子相互作用，被广泛应用于电池体系中，为锂盐在电解液中的解离提供基础。
然而，过强的 Li⁺–O 或 Li⁺–sp–N 配位作用，会在电极–电解液界面产生较高的去溶剂化能垒，从而限制电池在快充或低温条件下的性能发挥。
为缓解这一问题，研究者提出了多种降低氧或氮原子路易斯碱性的策略，但往往需要引入体积较大的取代基，导致溶剂黏度升高，影响离子传输。
因此，探索一种本征配位结构不同、同时具备快速 Li⁺ 去溶剂化动力学的新型电解液体系，成为解决上述瓶颈的关键。氢氟碳化合物（HFCs）具有优异的流动性和高电压稳定性，但其较弱的 Li⁺–F 配位作用限制了盐的溶解度。
若能通过增强 F 原子的路易斯碱性，精细调控 HFC–F 与 Li⁺ 的专属性配位结构，实现较高的锂盐溶解能力，则其较低的配位结合能有望显著提升高能量密度电池的界面反应动力学。
在此，本研究报道了一种单氟化分子设计策略，可显著提升锂盐在 HFCs 中的溶解度。
作者首先合成了六种 HFC 分子，并通过核磁共振（NMR）谱图确认其分子结构。
随后以两种结构简单的分子——1,4-二氟丁烷（DFB）和 1,3-二氟丙烷（DFP）为例，归纳出主导盐溶解行为的两条关键规律：
（1）F 原子的路易斯碱性（图 1a）：作为强吸电子元素，单氟取代 –CH₂F 基团中的 F 原子相比于二氟（–CHF₂）和三氟（–CF₃）取代基，表现出更高的电子密度，从而增强与 Li⁺ 的相互作用；
（2）空间位阻效应（图 1b）：空间位阻较小的原子或基团对金属离子的亲和力更高。
此外，由于解离能较低（图 1c），亚磺酰亚胺类锂盐在所合成的溶剂中表现出良好的溶解性。其中，双（氟磺酰）亚胺锂（LiFSI）因具有最高溶解度，被选为代表性锂盐用于后续研究。
研究者首先通过计算电离势（ionization potential）和电子亲和能（electron affinity）（图 1d），对 1,4-二氟丁烷（DFB）和 1,3-二氟丙烷（DFP）的电化学稳定性进行了评估，并与传统电解液溶剂进行对比。
结果表明，DFB 和 DFP 同时具有更高的电离势和电子亲和能，分别对应更优异的抗氧化稳定性和抗还原稳定性，体现出更宽的电化学稳定窗口。
随后，研究者进一步比较了各类溶剂与 Li⁺ 的结合能以及溶剂黏度（图 1e），这两个因素共同决定电解液中的离子传输行为。
溶剂与 Li⁺ 相互作用的减弱有利于加快配体交换过程，从而促进 Li⁺ 的迁移；而较低的溶剂黏度则有利于“载体机制”下的离子扩散。
计算结果显示，所设计的含氟配体分子（DFP 和 DFB）与 Li⁺ 的结合能显著低于 1.5 eV，远低于以氧原子为电子给体的传统溶剂（如醚类和碳酸酯类），这表明基于 F 配位的电解液体系具有更低的去溶剂化能垒。
同时，DFP 和 DFB 的黏度分别仅为 0.38 和 0.47 cP，这主要归因于其分子间作用力较弱，有助于降低电解液中的离子迁移阻力。
综合来看，本征弱配位特性与低黏度的协同作用，使单氟化 HFC 溶剂成为极具潜力的 Li⁺ 传输介质。
通过在第一溶剂化壳层中引入氟原子，较弱的 F–Li⁺ 配位作用显著促进了锂的沉积/剥离过程，在 −50 °C 条件下实现高达 99.7% 的库仑效率（CE），其交换电流密度较 O–Li⁺ 配位体系提高了一个数量级。
进一步地，该类电解液可在电解液用量低于 0.5 g Ah⁻¹ 的条件下驱动锂金属软包电池稳定运行，在室温下实现超过 700 Wh kg⁻¹ 的能量密度，在 −50 °C 低温下仍可达到约 400 Wh kg⁻¹。
本研究所提出的氢氟碳（HFC）电解液体系，为突破传统配位化学框架、构建新型电化学体系提供了一条切实可行的技术路径。
图1 氢氟碳化物作为电解质溶剂的设计原理及特点。
图2 电解质的溶剂化结构表征及离子输运机制。
图3 锂金属电镀/剥离及相应的SEI表征。
图4 不同温度下高能量LMBs的电化学性能。
图5 将HFC电解质扩展到宽温LMBs。
综上所述，通过提升 F 原子的电子密度并降低其空间位阻，研究者成功构建了基于 F 配位、且不含氧原子的高离子电导电解液体系。所合成的溶剂对锂盐和钠盐均表现出优异的溶解能力。
其中，DFP/LiFSI 电解液以“配体交换主导”的离子迁移机制为特征，具备快速的 Li⁺ 去溶剂化动力学，使锂金属电池（LMBs）在宽温区间内实现高度可逆运行。
尤其值得强调的是，该电解液兼具低黏度与高润湿性，使软包电池在电解液用量受限的条件下仍能稳定运行：室温下能量密度超过 700 Wh kg⁻¹，在 −50 °C 低温环境下仍可达到约 400 Wh kg⁻¹。
此外，通过进一步调控分子中碳原子与氟原子的数目，可设计出沸点高于 100 °C、且保持良好锂金属相容性的 HFC 溶剂体系。
基于 F 配位化学的新策略，为突破电池功率密度与能量密度瓶颈提供了一条极具前景的技术路径。
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
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10210-6
