四川大学林紫锋、代春龙、中南大学范鑫铭最新Angew丨全环酯–醚协同电解液实现−70℃钠离子电池稳定运行

第一作者：罗宗斌，胡琳钰

通讯作者：范鑫铭、代春龙、林紫锋

单位：四川大学，中南大学

钠离子电池（SIBs）因其资源丰富和成本优势，被认为是下一代大规模储能体系的重要候选。然而，在极端低温环境下（如−40℃甚至更低），传统电解液体系容易出现溶剂结晶、离子传输迟缓以及界面不稳定等问题，严重制约了电池的快充能力和低温适应性。目前主流碳酸酯电解液通常采用“环状碳酸酯+线性碳酸酯”的混合体系，但该结构在低温条件下仍难以兼顾流动性、脱溶剂化动力学与界面稳定性。

近日，四川大学林紫锋、代春龙团队联合中南大学范鑫铭团队，在国际顶级期刊 Angewandte Chemie International Edition 发表题为“All-Cyclic-Solvent Electrolyte Design Enables Ultra-Low-Temperature and Fast-Charging Sodium-Ion Batteries 的研究论文。该工作针对传统碳酸酯电解液在极寒条件下离子传输缓慢、界面稳定性不足等问题，提出了一种全环酯–醚协同超低温电解液（PETC）设计策略。通过在环状强溶剂化碳酸丙烯酯（PC）/碳酸乙烯酯（EC）基体中，梯度引入弱溶剂化四氢呋喃（THF）与极弱溶剂化环戊基甲醚（CPME），分级调控Na+溶剂化结构，诱导形成阴离子主导的接触离子对/离子聚集体（CIP/AGG），降低Na+去溶剂化能垒，并抑制低温结晶，从分子层面协同提升离子迁移动力学和界面稳定性。得益于这一设计，PETC电解液展现出低于−130℃的玻璃化转变温度及优异低温离子传输性能。在电化学表现上，NVP||Na半电池在50 C仍可提供89.9 mAh g⁻1容量；NVP||NTP全电池常温循环寿命超过10000圈；NFPP||NTP全电池在−70℃仍保持57%室温容量。基于PETC的26700型圆柱电池在室温循环超过2000圈，−40℃可稳定放电1.21 Ah，并在热滥用和针刺测试中未发生燃烧或冒烟，展现高安全性与低温适应性。进一步研究表明，该策略在其他环状醚体系中同样适用，表明通过调控环状酯–醚溶剂的竞争配位构建富阴离子溶剂化结构，是一种普适且可扩展的电解液设计思路，为低成本、极寒环境钠离子电池的开发提供了新路径。四川大学博士研究生罗宗斌、胡琳钰副研究员为共同第一作者。

为了实现钠离子电池在极低温与高倍率下的稳定运行，研究团队提出了全环酯–醚协同电解液（PETC）设计策略。该策略通过梯度引入低极性环状醚（THF、CPME）到高极性环状碳酸酯（PC/EC）基体中，形成竞争配位环境，重构Na⁺溶剂化结构。环状醚的弱配位特性既降低了Na⁺–溶剂结合力，又诱导形成阴离子主导的溶剂化结构，从而显著降低去溶剂化能垒、抑制低温结晶，并提高Na⁺传输速率。同时，协同调控溶剂分子层级结构还优化了电解液的氧化还原稳定性，拓宽了电化学窗口，实现高离子电导率和低温优异动力学的综合提升。

电解液的溶剂化结构直接决定Na+在液相中的迁移及在电极界面的去溶剂化行为。研究显示，通过梯度引入弱溶剂化环状醚（THF、CPME），可显著调控Na+的溶剂化环境：在传统碳酸酯体系（PE）中，Na+以溶剂分离离子对（SSIP）为主，导致溶剂主导界面反应，形成有机富集的CEI层；而在PETC电解液中，Na+更多以接触离子对（CIP）和离子聚集体（AGG）存在，构建阴离子主导的溶剂化壳层。该结构在低温下仍保持稳定，有效抑制溶剂分离、降低Na+去溶剂化能垒，从而促进快速脱溶剂化并形成无机富集、致密稳健的CEI/SEI层，显著提升低温离子传输动力学和循环稳定性。

PETC电解液显著提升NVP||Na半电池性能：首周库伦效率显著提升，0.1–50 C倍率下放电容量保持高水平（50 C仍为89.87 mAh g⁻1），1500圈循环容量保持率94%。在−40°C低温下，0.2 C循环170圈容量保持率98.4%，在更低温度下仍保持良好容量。采用相同溶剂化结构设计策略的PETM（MeTHF）和PETD（DOL）电解液也在低温半电池中表现优异，验证了该方法在极寒钠离子电池中的广泛适用性。雷达图显示，PETC电解液通过双环醚分子实现的分级溶剂化调控，使NVP半电池在容量、倍率和循环稳定性等指标上均明显优于酯类PE和单醚PET体系。

CEI组成直接影响电池性能。研究发现，传统PE电解液在NVP正极表面形成厚、有机富集、结构不连续的CEI，伴随明显溶剂分解与裂纹，导致界面阻抗高、循环稳定性差。引入双环醚的PETC电解液通过构建阴离子主导溶剂化结构，实现Na+快速去溶剂化，促进形成致密均匀、无机组分丰富的梯度CEI（外层有机、内层无机），其中Na3N、Na2S、Na2SO3等低扩散势垒无机物增强机械强度与离子导电性。DRT分析显示，PETC体系CEI在不同电压下阻抗稳定，抑制副反应，从而显著提升高压与低温循环性能。

以快充型负极NTP构建未预钠化的NVP||NTP全电池，验证PETC低温电解液的适用性。该体系中，PETC电解液与快充负极协同作用，显著提升了电池的倍率性能和循环稳定性，并在低温下表现出卓越性能：−40°C下全电池在5 C仍能稳定运行。NFPP||NTP全电池同样表现优异，−70°C可保持57%室温容量。26700型圆柱电池进一步验证了PETC电解液的工程可行性：室温下循环稳定超过2000次，−40°C下可稳定放电1.21 Ah并驱动小风扇运行，热滥用和针刺测试均未发生燃烧或冒烟，展现了该电池体系在高安全性、低温适应性及长寿命循环方面的综合优势。

总之，本工作开发了一种全环酯–醚超低温电解液（PETC），通过将高极性碳酸酯（PC/EC）与低极性环状醚（THF/CPME）协同耦合，构建阴离子主导的溶剂化结构，实现超低凝固点（<−130 ℃）、高离子电导率及降低的Na+去溶剂化能垒。分子间竞争配位不仅丰富溶剂化环境，还促进形成富无机组分、致密稳定的CEI膜。该电解液赋予电池卓越性能：NVP半电池50 C仍能提供89.9 mAh g⁻1，并在1 C循环1500次容量保持94%；NVP||NTP全电池在5 C超过10000次循环，−40℃下实现2600次稳定循环；NFPP||NTP全电池在−70℃仍保留57%室温容量。基于PETC的26700型圆柱电池室温循环2000次，−40℃稳定放电1.21 Ah，50次循环容量保持97.2%，热滥用及针刺测试无明火或冒烟，展现高安全性。该研究揭示了酯–醚协同溶剂化机制，为高性能、超低温、快充且安全的钠离子电池设计提供了新策略。

All-Cyclic-Solvent Electrolyte Design Enables Ultra-Low-Temperature and Fast-Charging Sodium-Ion Batteries 

链接：https://doi.org/10.1002/anie.202521433

林紫锋，四川大学研究员、国家级青年人才。从事电化学储能研究，以第一作者或通讯作者在Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Synthesis、Joule及Nature Communications（3篇）等期刊发表40余篇论文，参与编写英文专著2本。主持国家自然科学基金面上项目（2项）、青年项目及四川省杰出青年基金等。获英国皇家化学学会Horizon奖、IFAM优秀青年科学家奖及四川省金属学会冶金青年科技奖等荣誉。入选美国斯坦福大学和爱思唯尔联合发布的全球前2%顶尖科学家。

代春龙，四川大学特聘副研究员，硕士研究生导师，师从曲良体教授，入选四川大学“双百计划”，四川省高层次青年人才计划。研究方向为新型电池体系、铜离子介导硫基电池等，目前以第一/通讯作者在Joule， Sci. Adv. ，Nat. Commun.（2篇）， Adv. Mater.， Angew. Chem. Int. Ed.（2篇），Energy Environ. Sci. （3篇），Adv. Energy Mater. （3篇）等国际顶级期刊发表SCI论文20余篇，H因子37，论文总被引4800余次。受邀在国际/国内学术会议作邀请报告10余次；担任Energy Materials Advances、Battery Energy期刊青年编委。

范鑫铭，中南大学特聘研究员，博士生导师，湖南省高层次青年人才。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国防科研-装备预研项目、湖南省“揭榜挂帅”重点攻关项目等纵向项目7项，主持与宁德时代等多个横向科技攻关项目，且单个项目超1000万元经费1项；以第一或通讯作者在Nat. Commun(2篇)、Angew. Chem. Int. Ed(3篇)、Mater. Today、Adv. Funct. Mater等期刊上发表SCI学术论文50余篇；现已申请/授权专利 60余项；曾在全球顶尖锂电池公司ATL公司任苹果手机电池和微软电池研发负责人，负责项目获集团公司总裁奖，以第一完成人申报2025年湖南省自然科学二等奖（通过评审）。

罗宗斌，四川大学材料科学与工程学院2022级博士研究生，研究方向为钠离子电池电解液，在Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、J. Power Sources、ACS Sustainable Chem. Eng.等国际期刊发表学术论文7篇；申请国家发明专利5项，其中3项已获授权。

胡琳钰，四川大学特聘副研究员，师从北京理工大学王博教授，主要从事电池多尺度界面调控方面的研究。相关研究成果以第一/通讯作者(含共同)在Joule，Nat. Commun.，Energy Environ. Sci.（3篇）, Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）, Adv. Energy Mater., ACS Nano等期刊发表论文15篇，其中2篇文章入选ESI高被引(Top 1%)。授权/申请国家发明专利5项。