上海大学吴明红/乔芸/刘阳联合华中科技大学吉晓， AFM：低成本不易燃电解液让钠离子全电池在

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上海大学吴明红/乔芸/刘阳联合华中科技大学吉晓， AFM：低成本不易燃电解液让钠离子全电池在 - 40~50℃安全 “续航

科学材料站

2025-12-05

导读：上海大学吴明红/乔芸/刘阳联合华中科技大学吉晓， AFM：低成本不易燃电解液让钠离子全电池在 - 40~50℃安全 “续航

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文章信息

无氟化溶剂/富阴离子/不易燃电解质助力钠离子电池-40~50℃安全运行

第一作者：常相雾，陈建共同一作

通讯作者：刘阳*，吉晓*，吴明红*，乔芸*

单位：上海大学，华中科技大学

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研究背景

在可再生能源大规模普及的背景下，低成本、资源丰富的钠离子电池是大规模储能的优选技术。但传统碳酸酯电解液在极端温度（-20 °C 以下或 40 °C 以上）存在离子传输受阻、界面不稳定、易引发安全隐患等缺陷，制约了其应用。宽温域下的高安全钠储能对大规模储能系统的稳定运行至关重要，而电解液的高效离子传输能力与电极表面稳定界面相的构建，正是实现电池严苛环境安全运行的核心前提。由此，开发集宽温适应性、高安全性与成本效益于一体的电解液体系，已成为推动钠离子电池实用化进程亟待解决的关键科学问题。

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文章简介

近日，上海大学吴明红院士、乔芸教授、刘阳副教授课题组携手华中科技大学吉晓教授，于国际知名期刊Advanced Functional Materials发表题为 “Solvent-Fluorine-Free, Anion-Enriched, and Non-Flammable Electrolyte Enables Safe Sodium-Ion Battery from −40 to 50 °C” 的研究成果。通过复合低熔点弱溶剂化甲基丙酸酯（MP）与阻燃剂磷酸三乙酯（TEP），研发出无氟、富阴离子、不易燃的 NTM 电解液。研究证实，MP 与 TEP 的偶极相互作用可调控 Na⁺溶剂化结构，推动 PF₆⁻参与内层配位并诱导形成富 NaF 无机界面。基于 NTM 电解液的 NVP 基半电池与全电池，可在−40~50 °C 稳定工作，且耐受−60 °C 至 80 °C 的极端温度，为高安全性钠电的实用化提供了新策略。

图1. 常规电解质和阴离子增强电解质之间的界面特性示意图

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本文要点

要点一：电解液设计思路与溶剂筛选

传统的碳酸盐基电解质具有固有的缺点，对钠离子电池（SIB）稳定运行的适应性有限。一方面，碳酸酯易燃，存在安全问题，而环状碳酸酯具有高粘度和低离子电导率。另一方面，形成不稳定的电极-电解质界面（EEI），无法抵抗连续的电解质引起的电极腐蚀，仍然是一个主要问题。在高温下，寄生副反应加剧，而在低温下，与高钠相关的界面动力学缓慢⁺ 去溶剂化能量势垒导致严重的极化和快速的容量退化。构建阴离子增强的溶剂化结构不仅有助于形成持久的阴离子衍生的无机主导的EEI，而且显著降低了Na⁺去溶剂化的活化能势垒。引入了磷酸三乙酯（TEP），以利用其固有的阻燃性和宽液相温度范围，从而解决传统电解质的易燃性和有限的温度适应性问题。进一步选择低粘度、低供体数（DN=11）和弱溶剂化能力的丙酸甲酯（MP）作为共溶剂。通过MP和TEP之间的偶极-偶极相互作用削弱TEP 与Na⁺强配位，有望降低去溶剂化能垒并增强了传输动力学。

电解质设计和相应的表征。a）常规电解质和阴离子增强电解质之间的界面特性示意图。b）各种电解质溶剂的液体温度范围，基于其冰点和沸点。c）所选溶剂的供体编号（DN）。d）MP和TEP的ESP图。e）Na⁺-EC、Na⁺-PC、Na⁺-TEP和Na⁺-MP复合物的结合能和优化构型。f）比较NP、NT和NTM电解质物理化学性质的雷达图

要点二：溶剂化结构演变的实验与理论分析

研究联合 ¹⁷O 核磁共振（¹⁷O NMR）、傅里叶变换红外光谱（）、拉曼光谱（Raman）及分子动力学（MD）模拟等多种表征与计算手段，系统揭示了其溶剂化结构的重构规律。FTIR 和¹⁷O NMR 测试，证实了 MP与 TEP 间的相互作用弱化了TEP与Na⁺的配位；拉曼光谱拟合分析，进一步揭示电解液中接触离子对（CIP）的比例从 NT 体系的 33.17% 显著提升至 NTM 体系的 57.39%，表明更多的PF₆⁻ 进入Na⁺溶剂化鞘层内部参与配位；而 MD 模拟结果进一步从原子尺度验证了NTM 电解液中 Na⁺与 PF₆⁻的配位数从 NT 的 1.72 提升至 2.11，佐证了 “阴离子增强型” 溶剂化结构的形成。

溶剂化构型的理论和实验分析a）各种溶剂和电解质的17O-NMR光谱。b）纯MP、纯TEP、NT和NTM的FTIR分析。c）拟合了NT和NTM电解质的PF₆^--拉曼光谱。d–g）从d，f）NT和e，g）NTM电解质的MD模拟中获得的Na⁺溶剂化构型的MD快照和RDF。

要点三：构建NaF增强界面稳定电极

NTM 电解液赋予 NVP||Na 半电池优异的电化学性能，400 圈循环容量保持率达 91.8%。XPS 深度剖析表明，NTM 在正极表面形成 NaF 富集的梯度 CEI 层， TEM 表征显示该 CEI 层超薄且均匀（厚度约 10 nm），可有效抑制副反应与电极腐蚀，而 NP 及 NT 电解液形成的界面层厚度为 16–30 nm，既厚且不均匀。因此，阴离子增强的溶剂化结构被证明促进了富含NaF的CEI薄膜的形成，抑制了副产物的积累，保持了电极的完整性，从而提高了SIB的长期循环稳定性，是高温应用的基础。

NVP电极的电化学性能和界面。a）具有NP、NT和NTM电解质的NVP||Na半电池的循环性能和b）速率能力。c）c 1s和F 1s的高分辨率XPS光谱。d）NP、NT和NTM基电解质中CEI组分的原子比。e）NTM电解质中NVP电极上C 1s和F 1s的深度分析XPS光谱。f）NVP电极在多个方向上与NP、NT和NTM电解质循环后的TEM图像。

要点四：电解液的宽温潜力

NTM被证明具有较高的离子电导（-40 度1.4 mS cm^-1）和低脱溶剂化活化能，从而使NVP||Na 电池分别在50和-40度下实现高容量保持率。即使在低温下也证明了无机NaF富集的界面，进一步促进了界面动力学的稳定。

NVP||Na电池在宽温度范围内的电化学性能。a）在50至-60°C下测量的NP、NT和NTM电解质的离子电导率的Arrhenius图。b）根据奈奎斯特图得出的Na⁺去溶剂化的活化能。c）在50°c和50 mA g⁻¹下，使用NP、NT和NTM电解质的NVP || Na电池的高温性能。d）低温性能和e）在-40°C和50 mA g⁻¹下，具有NP、NT和NTM电解质的NVP||Na电池的相应充放电曲线。f-g）-40°C下NTM电解质中NVP表面C 1s和f 1s的深度XPS光谱。h）在25和-40°C的NTM电解质中，对NVP电极上的F 1s、O 1s、C 1s、P 2p和Na 1s进行了深入的XPS分析。

要点五：高负载的NVP ||HC全电池宽温应用

含有NTM电解液的全电池在 2.0–3.6 V 电压范围内展现出优异电化学性能。100 圈循环容量保持率为 84.9%。- 40°C 时放电容量仍有 62.2 mAh g⁻¹。XPS 表征证实，NTM 诱导形成的 NaF 富集界面实现正负极 - 电解液协同适配，从界面稳定性角度支撑全电池宽温高效运行。

高面密度NVP||HC全电池的电化学性能。a）NVP||HC全电池示意图。b）循环性能和c）在50 mA g⁻¹下，具有NP和NTM电解质的NVP||HC全电池的相应充放电曲线。d）倍率性能，e）自放电试验，f）含NP和NTM电解质的NVP||HC全电池的高温性能。g）NVP||HC全电池在25、-20和-40℃下使用NTM电解质的放电容量，以及h）在-40℃和20mA g⁻¹下的寿命性能。

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总结与展望

综上，该研究提出偶极调控溶剂化结构的电解液设计策略：复合弱溶剂化 MP 与阻燃 TEP，通过二者偶极 - 偶极相互作用削弱 Na⁺- 溶剂配位，推动 PF₆⁻进入 Na⁺溶剂化内层，诱导形成 NaF 富集的无机界面层。由此，NVP||Na 半电池与 NVP||HC 全电池在−40~50°C 宽温域表现卓越循环稳定性，且耐受−60°C 超低温与 80°C 高温。本工作为解决钠电池宽温、安全、低成本耦合挑战提供可行方案，助力极端环境储能应用。

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文章链接

Solvent-Fluorine-Free, Anion-Enriched, and Non-Flammable Electrolyte Enables Safe Sodium-Ion Battery from −40 to 50 °C

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202515745