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文 章 信 息
溶剂链长工程以实现全天候钠离子电池
第一作者：罗宗斌，胡琳钰
通讯作者：代春龙*、徐葵，林紫锋 *
单位：四川大学，南京工业大学
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研 究 背 景
目前钠离子电池电解液在宽温域应用中仍面临挑战：传统碳酸盐电解液低温下离子导电性差、高温下热稳定性和电化学稳定性不足；醚类电解液虽低温性能优异，但氧化稳定性和耐高温性有限；高浓度或氟化添加剂虽可提高高压耐受性，却往往牺牲低温动力学。这些离子传输、界面稳定性与电化学窗口之间的固有矛盾限制了全天候钠离子电池的性能，因此亟需新的电解液设计策略以兼顾低温快动力学、高压耐受性和长期界面稳定性。
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文 章 简 介
近日，四川大学林紫锋、代春龙团队与南京工业大学徐葵合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Editio发表题为“Solvent Chain-Length Engineering Enables All-Climate Sodium-Ion Batteries”的文章。通过溶剂链长工程来实现多目标优化。利用短链醚（低温动力学优势）与长链醚类溶剂（高电压/热稳定性）协同 1,3-二氧戊环（DOL）和氟代乙烯碳酸酯（FEC），构建了一种混合溶剂电解液，从根本上重塑了 Na⁺ 的溶剂化化学。体系化的溶剂-溶剂相互作用调控削弱了 Na⁺-溶剂结合，从而加速离子传输；而 FEC 诱导的阴离子富集配位外壳则增强了界面稳定性。该混合电解液使 Na3V2(PO4)3||Na 电池在 10 C 下循环 9500 圈后仍可保持 82.75 mAh g⁻¹ 的放电容量，在 1 C 下可稳定运行 600 天，并能在 −40 °C 至 60 °C 的宽温区间内正常工作。同时，Na||Na 对称电池也实现了一年以上的稳定循环。此外，该电解液在 2.0–4.5 V 的宽电压窗口下对多种商业正极材料表现出良好兼容性，并在全电池体系中展现出优异的宽温域适配性。这项研究证明了基于溶剂链长调控的溶剂化工程是一种可行策略，能够同时解决动力学、热力学及界面等多重难题，为实现兼具多性能平衡的全气候钠离子电池提供了一条切实可行的途径。
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本 文 要 点
图1. 图1. a) 短链醚和长链醚的互补优势示意图。b) 链长工程策略示意图。c) 混合溶剂电解质的组成示意图。d) 不同电解质在–40至60 °C温度范围内的离子电导率。e) 不同电解质的相变行为。f) 不同电解质在60 °C下的线性扫描伏安曲线。g) 不同电解质的性能雷达图。
图2. 电解质溶剂化结构的实验与理论分析。a) 不同电解质及组分的拉曼光谱。b) 不同电解质中PF₆⁻阴离子的拟合拉曼光谱。c) 不同电解质的²³Na NMR谱。d) 131-HS电解质的分子动力学MD模拟快照及溶剂化环境放大图。e) 分子动力学MD模拟得到的径向分布函数（RDF）和Na⁺配位数。f) 不同电解质中NaPF₆–溶剂复合物的Na⁺结合能。g) 阿伦尼乌斯分析得到的各电解质活化能（Eₐ）。
图3. 采用不同电解质的NVP||Na半电池的电化学性能评估。a) 采用131-HS电解质的NVP||Na半电池充放电曲线；b) 和 c) 采用不同电解质的半电池倍率性能；d) 不同电解质半电池在10 C下的循环性能，及 e) 不同循环次数对应的充放电曲线；f) 采用131-HS电解质的半电池在1 C下的循环性能；g) 与其他报道电解质的循环性能比较。
图4. 在不同电解质中循环100次后NVP电极表面的CEI表征。a) EC/DMC, b) 1 M NaPF₆–G1, 和 c) 131-HS电解质中循环后NVP电极的TEM图像及相应CEI结构示意图。d) EC/DMC, e) 1 M NaPF₆–G1, 和 f) 131-HS电解质中循环后NVP电极在不同溅射时间下的C 1s和F 1s XPS结果。
图5. 采用不同电解质的NVP||Na半电池在极端温度下的电化学性能。a) 不同电解质NVP||Na在不同温度下的放电容量比较。b) 采用131-HS电解质的NVP||Na在–40 °C和 c) 60 °C下的循环性能。d) 131-HS电解质在不同温度下的拉曼光谱及 e) 拟合拉曼光谱。f) 在不同温度下131-HS电解质中循环100次后CEI的F 1s光谱中各组分比例。
图6. NVP||Na₄VP全电池的电化学性能。a) NVP||Na₄VP对称电池示意图。b) 预钠化后（1.1–2.2 V）的充放电曲线。c) 采用不同电解质的对称电池循环性能。d) 采用131-HS电解质的全电池在–40 °C下的倍率性能和 e) 循环性能。f) 采用不同电解质的全电池在60 °C下的循环性能。g) 采用不同电解质的全电池综合电化学性能比较。
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结 论
总之，该工作提出了一种分子水平的钠离子电池电解液设计策略，通过溶剂链长工程在高倍率性能、长循环寿命、高电压稳定性和宽温域适配性之间实现平衡。所设计的 131-HS 电解液，将短链与长链醚溶剂与 DOL 和 FEC 结合，优化了 Na⁺ 溶剂化结构，其电化学性能显著优于单一溶剂体系。在 NVP||Na 电池中，10 C 循环 9500 圈后容量保持率达 83.48%，1 C 循环 600 天后仍保持 81.2%，在 Na||Na 对称电池中可稳定循环超过一年。此外，该电解液在 −40 °C 至 60 °C 范围内保持优异性能，并能兼容多种商业化正极材料（2.0–4.5 V 宽电压窗口）。与快充负极如 Na4VP 和 NTP 配合时，也表现出卓越的全电池性能。本研究表明，溶剂链长工程能够有效平衡动力学、稳定性与界面调控，为开发高性能全天候钠离子电池提供了可行途径。
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文 章 链 接
Solvent Chain-Length Engineering Enables All-Climate Sodium-Ion Batteries
https://doi.org/10.1002/anie.202514451
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通 讯 作 者 简 介
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（2020）、Nature Nanotechnology（2025）、Nature Energy（2017）及Nature Communications（2021、2024）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（2020、2024）、青年项目（2019）及四川省杰出青年基金（2022）等。获2021年度英国皇家化学学会Horizon奖、2020年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”，四川省高层次人才计划(2022)。研究方向为水系电池和硫基电池等，以第一作者或通讯作者(含共同)在Nat. Commun., Sci. Adv. , Energy Environ. Sci., Adv. Mater.等期刊发表SCI论文20余篇。
徐葵，南京工业大学 助理教授, 主要研究领域为电化学理论计算、材料计算研究、功能材料设计等方面。主持国家自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上资助等项目。近 5 年以第一及通讯作者(含共同)发表论文 20 余篇。其中，电化学界面、双电层结构、离子限域特征等方面研究成果已经相继发表在National Science Review、 Angewandte Chemie、 Advanced Materials等国内外高水平学术期刊上，引用超过 4600次，H 因子为 33。
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