Nature Communications：氟氧协同配位解耦离子传输，实现-50°C至70°C超宽温域准固态电池- 大数跨境

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Nature Communications：氟氧协同配位解耦离子传输，实现-50°C至70°C超宽温域准固态电池

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2025-10-24

导读：Nature Communications：氟氧协同配位解耦离子传输，实现-50°C至70°C超宽温域准固态电池

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文章信息

氟氧协同配位解耦离子传输，实现-50°C至70°C超宽温域准固态电池

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研究背景

在推动全球能源结构向可持续化转型的进程中，高能量密度、高安全性的储能技术扮演着至关重要的角色。从寒冷地区的电动汽车到高空飞行的无人机，再到深空探测器，现代科技对能够在极端温度下稳定工作的电池提出了前所未有的苛刻要求。然而，传统的液态碳酸酯类电解质，在低温下（如低于-20°C）会因黏度剧增甚至凝固而导致离子电导率急剧下降，使电池性能严重衰减甚至失效；而在高温下（如高于+60°C），其高挥发性和易燃性又带来了严重的安全隐患。

为了同时解决能量密度与安全性的双重挑战，聚合物电解质被认为是构建下一代固态电池的理想选择。它们固有的柔性、优异的界面接触、简便的加工工艺以及成本效益，使其备受瞩目。尽管前景广阔，但传统聚合物电解质（如聚环氧乙烷，PEO）其离子传输机制严重依赖于聚合物链段的缓慢运动。在低温条件下，这种链段运动几乎被“冻结”，导致离子传导动力学极为迟缓，从而限制了电池的低温性能。

要打破这一僵局，必须实现电解质设计的范式革新。这不再是简单的材料筛选，而是要求在分子尺度上对离子与聚合物间的相互作用进行精准调控，从而设计出一种全新的离子传输模式。正是在这样的背景下，一项旨在从根本上解耦离子传输与聚合物链段运动的创新策略应运而生，为开发全气候、高安全的固态电池技术开辟了新的道路。

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成果简介

近日，华中科技大学郭新教授团队在国际顶级期刊 Nature Communications 上发表了题为“Fluorine-oxygen co-coordination of lithium in fluorinated polymers for broad temperature quasi-solid-state batteries”的研究论文。该工作提出并实现了一种创新的氟化准固体聚合物电解质。其核心突破在于通过精巧的分子设计，在聚合物中构建了一种独特的“氟-氧协同配位”结构。

这一独特的配位环境成功地将锂离子的快速传输与聚合物链段的慢速运动分离开来，从根本上解决了传统聚合物电解质在低温下电导率低下的难题。基于该电解质构建的锂金属电池展现了破纪录的性能：不仅实现了在 -50°C至70°C 的超宽温度区间内的稳定运行，还兼具优异的倍率性能（10 C）和卓越的安全性。该研究不仅为宽温域固态电池的设计提供了全新的思路，其设计理念更成功拓展至钠离子电池体系，展示了其广泛的应用潜力。

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研究亮点

1. 创新性的氟氧协同配位机制

研究的核心科学突破在于通过在聚合物（聚丙烯酸六氟丁酯，poly-HFA）的侧链中引入强吸电子性的含氟基团，构建了一个独特的锂离子配位环境。在该结构中，锂离子不再仅仅被传统的羰基氧强力束缚，而是与羰基氧（O）和氟（F）原子同时发生相互作用。这种“氟-氧协同配位”巧妙地削弱了锂离子与羰基之间的主要作用力，显著降低了锂离子“脱溶剂化”并进行跳跃所需的能量壁垒。更重要的是，它沿着聚合物链和周围的溶剂分子，开辟了一条独立于聚合物链段运动的“离子高速公路”。即使在低温下聚合物链段活性降低，锂离子依然能在这条特殊通道中快速穿梭，彻底解决了传统聚合物电解质的低温性能瓶颈。

2. 破纪录的超宽温域性能（-50°C至70°C）

这一创新的离子传输机制直接转化为电池宏观性能的巨大飞跃。该氟化准固体电解质即使在 -40°C 的严苛低温下，依然保持了高达 0.27 mS cm^-1的优异离子电导率。搭载该电解质的Li||NCM811全电池，成功实现了从 -50°C到70°C 的稳定工作。尤其值得一提的是，在-30°C时，电池仍能释放出其室温容量的 64.3%，展示了卓越的低温容量保持能力。此外，该电解质同样支持快速充放电，在 10 C 的高倍率下，容量保持率仍高达 70.5%，证明其快速离子传输能力并非局限于低电流密度场景。

3. 卓越的实用化潜力与安全性

该研究的意义远超实验室级别的纽扣电池。团队成功制备并测试了容量高达 2.6 Ah 的软包电池，验证了该技术的工程放大潜力。在安全性方面，该软包电池成功通过了严苛的针刺测试，在被钢针刺穿后未发生冒烟、起火或爆炸现象，表现出极高的本征安全性。尤为引人注目的是，团队通过视频展示了该软包电池在-51.3°C的干冰/乙醇混合浴中稳定驱动一个小型风扇的场景，这直观且有力地证明了其在极端环境下的可靠工作能力，为该技术走向实际应用奠定了坚实基础。

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图文导读

图1：溶剂化结构、锂离子传输和宽温性能示意图。a 非氟化准固体聚合物电解质，b 氟化准固体聚合物电解质。

图2：电解质设计和物理化学性质。a 不同聚合物单体和溶剂的介电常数和供体数；b 不同聚合物单体的静电势。左：BA；右：HFA，以及Li⁺-BA和Li⁺-HFA优化的几何构型。c Li⁺-溶剂络合物的键长。d Li⁺-溶剂分子的结合能。e 各种溶剂的熔点和沸点比较。f 不同温度下电解质的离子电导率。g 不同电解质的锂离子迁移数 tLi⁺。h 电解质在阳极扫描下的LSV曲线。“Liquid”表示液体电解质，“polymer”表示非氟化准固体聚合物电解质，“fluorinated polymer”表示氟化准固体聚合物电解质。

图3：电解质的理论和实验结构分析。a 非氟化准固体聚合物电解质的分子动力学模拟快照，b 氟化准固体聚合物电解质的分子动力学模拟快照。c 聚-BA和d 聚-HFA准固体聚合物电解质的径向分布函数及平均配位数。e 聚-BA和聚-HFA准固体聚合物电解质中Li⁺的均方位移。f 氧K-edge XANES光谱。

图4：不同温度下金属锂的性能表征。a–c 液态电解质、非氟化准固体聚合物电解质和氟化准固体聚合物电解质在0.5 mA cm⁻²、5 mAh cm⁻²下的锂沉积曲线。d–f 对应沉积实验后铜集流体的光学照片和SEM图像。g 不同电解质中形成的SEI在不同溅射时间下的F和O原子比。h 不同电解质中Li⁺脱溶剂化过程的活化能。i 不同电解质的Li⁺脱溶剂化结合能模拟结果。

图5：Li||NCM811电池的宽温性能。a 不同电解质在20 mA g⁻¹下从-40°C至70°C的容量变化。b -20°C和60°C下60 mA g⁻¹的循环性能。c 不同倍率下的性能。d 与0.2 C相比的容量保持率。e 实际条件下60 mA g⁻¹的循环性能。

图6：氟化聚合物基准固态软包电池性能。a Li||NCM811软包电池示意图。b 20 mA g⁻¹下的充放电电压曲线。c 针刺测试光学照片。d -51.3°C下驱动风扇的软包电池。e 聚合物基准固态电池的宽温性能对比。

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总结与展望

本研究通过精准的分子设计，成功开发了一种基于“氟-氧协同配位”新机制的氟化准固体聚合物电解质。这一核心创新通过削弱锂离子与聚合物的相互作用，巧妙地解耦了离子传输与聚合物链段运动，从根本上攻克了聚合物电解质在低温下离子电导率低的长期难题。由此带来的成果是显著的：实现了锂金属电池在-50°C至70°C超宽温域的稳定工作，并兼顾了10 C的高倍率性能和优异的本征安全性，在2.6 Ah软包电池上得到了成功验证。

更重要的是，这项工作提出的设计原则具有普适性。研究团队已初步验证，将此策略应用于钠离子电池体系同样能显著提升其宽温域性能，这预示着一种可广泛适用于下一代碱金属电池电解质设计的通用新范式。从可持续发展的角度看，通过大幅延长电池的循环寿命和拓宽其工作环境边界，该技术能够有效提升能源利用效率，减少电池更换频率和资源浪费，为构建更耐用、更可靠的绿色储能系统贡献了关键技术。这项工作为开发适用于极端环境（如极寒、高温或快速充电）的下一代高安全储能系统提供了重要的理论指导和切实可行的技术路径。