安大周腾飞/北化所辛森Angew: 分级溶剂化突破极端低温电池性能瓶颈—从溶剂化化学设计到工程应用的创新路径

第一作者：王启超

通讯作者：周腾飞*，辛森*

单位：安徽大学，中国科学院化学研究所

电气化交通、航空航天及国防领域对高性能储能系统的迫切需求推动了锂金属电池（LMBs）的快速发展。锂金属电池因其理论比容量而备受关注。然而，在低温与高功率工况下，传统碳酸盐电解液因Li⁺去溶剂化动力学迟缓、离子传输活化能过高，导致容量大幅衰减，严重制约了LMBs在极端环境中的实际应用。可行的低温电解液必须同时满足三项核心要求：高的离子电导率、低的Li⁺去溶剂化活化能，以及与氧化性正极和还原性负极兼容的宽电化学稳定窗口。传统电解液体系普遍难以在深冷条件下满足这些协同要求，成为制约产业应用的关键瓶颈。

近日，安徽大学周腾飞教授、中科院化学所辛森研究员团队采用"分级溶剂化"策略提升低温电池性能，“分级溶剂化”描述了电解质组分在空间分布上的分层特性与能量梯度的演变，该设计通过弱配位醚类溶剂诱导阴离子富集的溶剂化鞘层，显著降低Li⁺去溶剂化活化能；酯类组分则拓宽了醚类溶剂的氧化稳定窗口，突破单一溶剂体系的本征局限。TFT作为非溶剂化稀释剂，进一步调控局域溶剂化结构向团簇（AGG）主导模式演化，有效提升局域Li⁺有效浓度。上述组分协同效应在电极界面催生了具有有机–无机镶嵌架构固态电解质界面层（SEI）：柔性有机基质与高模量无机组分均匀分布，二者协同赋予界面膜兼具刚性与韧性的最优力学平衡，确保电极界面在深冷循环过程中的长期结构完整性。该工作发表在国际著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。

不同于具有均一接触离子对（CIP）或聚集体（AGG）结构的传统体系，本研究构建了一种独特的分层溶剂化架构。其初级（内）溶剂化壳层由强配位溶剂（MP）、功能添加剂（FEC）及阴离子（DFOB−）占据；次级（外）壳层则由弱配位溶剂（THP）主导；而稀释剂（TFT）则被完全排除在配位层之外。这种“分级化”设计确保了高活性/强配位组分被限制在核心区域，而由改善流动性的组分主控大体物理性质。

该阶层化结构建立了优化的结合能梯度。外壳层THP的存在与TFT的非配位特性共同降低了电极-电解质界面的Li+去溶剂化能垒（图5a）。与纯阴离子主导的结构相比，阶层化策略避免了形成过于刚性的离子聚集体（这些聚集体通常会阻碍Li+的去溶剂化过程），从而显著提升了界面电荷转移速率。

结合分子动力学（MD）模拟、拉曼光谱及核磁共振（NMR）分析，我们证明了这种分层结构使锂离子的传输从单一的“结构型”模式（离子跳跃）转变为多模态的“载体型”传输机制。这种配位环境的多样性赋予了电解质比传统局部高浓度电解液（LHCE）更高的离子电导率和更优异的Li+迁移数。

该电解液凝固点低至−131°C，Li||Li对称电池在−25，-45°C下实现超过6000小时的超稳定循环；软包Li||LiCoO₂全电池在-78.3°C条件下仍能稳定放电。这项工作为从溶剂化化学本质出发、理性设计高性能低温电解液提供了系统性的科学原理和实践指导，对推动下一代锂金属电池在电气化交通、航空航天及极地科考等极端环境中的规模应用具有重要的学术价值和产业前景。

Hierarchical Solvation Chemistry via Ether–Ester–Cosolvent Synergy Enables High-Performance Lithium-Metal Batteries at a Low Temperature.

周腾飞教授：安徽大学物质科学与信息技术研究院教授，博士生导师。从事低温特种电池、功能化液态金属以及金属气体电池研究；主持国家自然科学基金、澳大利亚优青、省部级科技及人才计划、无人机电池企业委托项目等。在 Adv. Mater., Angew., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 等发表研究论文 130 余篇，引用超过 12000 余次，H 指数 55。英国皇家化学会-JMCA， Chem. Comm. 新锐科学家，Research-Rising Star of Science, 受邀担任 eScience, Rare Metals, Nano-Micro Letters 期刊青年编委和客座编辑，任国自科、多省市科技计划、人才项目函评、会评评委。

辛森研究员：中国科学院化学研究所研究员，中国科学院大学兼职教授，博士生导师。围绕高比能金属二次电池用功能复合材料的结构优化设计与制备，电极反应过程与储能电化学，电极-电解质表界面化学等方向开展了一系列创新研究。主持科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金，国家海外高层次人才引进计划和中科院人才计划，国家电网新技术开发项目等。受邀担任IEEE PES中国区储能技术委员会理事，OAE出版社Energy Materials期刊副主编，《中国科学：化学》、《中国化学快报》、《稀有金属》中英文版青年编委和客座编辑，Wiley出版社InfoMat期刊青年编委，MDPI出版社Energies期刊编委等。在Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文>120篇，论文总被引>14000次（ESI高被引论文>20篇），h指数为60，连续入选2019和2020年度科睿唯安“全球高被引科学家”。