南开大学Nature重磅突破：氟原子上位，锂电池迎来零下70度极寒时代

研究核心亮点：

室温能量密度突破700 Wh每公斤，达到普通锂电池的两到三倍。零下50度低温下仍保持近400 Wh每公斤高能量密度。首次实现氟配位取代传统氧配位电解液体系。为新能源汽车、极地装备、航空航天等领域带来全新动力方案。

一、百年困局：为什么锂电池一到冬天就罢工

自1800年伏特发明电池以来，电解液始终是决定电池性能的灵魂。

目前商用的锂电池电解液，核心逻辑是锂氧配位。锂离子与碳酸酯溶剂中的氧原子通过强偶极作用结合，实现溶盐和传导。

但这个设计有个致命缺陷。

强相互作用形成溶剂化包袱，导致界面去溶剂化势垒高，电荷转移慢。溶剂浸润性差，用量大，严重拖累能量密度。低温下动力学急剧恶化，零下50度以下基本停摆。

这就是为什么电动车冬天续航腰斩，为什么极地科考设备需要笨重的保温系统，为什么高空无人机飞不高、飞不远。

氧配位，成了锂电池迈向高能量密度、全气候应用的天花板。

二、颠覆性创新：让氟原子来配位

南开大学陈军院士、赵庆研究员团队，联合上海空间电源研究所李永研究员，在《自然》发表最新成果，首次用氟配位彻底颠覆了传统电解液设计范式。

核心思路是单氟代烷烃分子设计。

研究团队提出两条黄金法则。

第一，增强氟原子路易斯碱性。选择单氟取代的CH2F基团，而非CHF2或CF3结构，使氟原子电子云密度更高，溶盐能力更强。

第二，降低空间位阻。分子结构更苗条，更易与锂离子亲密接触。

基于此，团队设计合成了1,3-二氟丙烷等新型氢氟烃溶剂，配合低解离能的双氟磺酰亚胺锂盐，构建出全新电解液体系。

三、性能数据：极寒不减速

离子传导方面，DFP电解液在零下70度仍保持0.29毫西门子每厘米的电导率，而传统电解液在此温度下基本失效。

能量密度方面，室温软包电池达到707 Wh每公斤，这是通过降低电解液用量至每安时0.48克实现的。在零下50度低温下，仍保持接近400 Wh每公斤。

循环寿命方面，4.4伏高电压下稳定运行286圈，零下70度下185圈。

全气候适应方面，通过分子工程延长碳链、调控氟取代位置，设计出高沸点单氟烃。其液相区间覆盖零下117度到125度。80度高温下电池输出216毫安时每克，零下40度仍有165毫安时每克。

四、科学揭秘：为什么氟配位更强

溶剂化结构大不同。

传统醚类电解液以溶剂分离离子对为主，溶剂霸占锂离子。而DFP氟配位体系以离子聚集体为主，氟与锂离子配位较弱，更多双氟磺酰亚胺阴离子进入第一溶剂化壳层，锂离子结合能显著低于含氧溶剂。

离子迁移机制升级。

分子动力学模拟显示，DFP体系中锂离子运动呈现配体交换主导机制，而非传统笨重的载体机制。这就像从坐公交升级为骑共享单车，灵活高效，低温下依然畅行无阻。

界面固态电解质膜更稳定。

原位从头算分子动力学模拟和光电子能谱分析揭示，DFP体系形成双层固态电解质膜结构。内层富含硫化锂等无机组分，致密坚固。外层为有机缓冲层，柔韧保护。结果是锂金属沉积均匀致密，即使在零下70度仍平整如新，彻底抑制枝晶生长。

五、应用场景：这些领域将被改写

陈军院士指出，基于该电解液的高比能电池将在多个领域展现广阔潜力。

新能源汽车领域，冬季续航不再骨折，北方市场全面打开。

具身智能机器人领域，高能量密度支撑长时间自主作业。

低空经济领域，轻量化加宽温域使城市空中交通成为可能。

极地科考和深海探测领域，摆脱笨重保温系统，装备小型化。

航空航天领域，全气候适应，从高空无人机到卫星电源。

六、科研团队

第一完成单位为南开大学。

通讯作者为赵庆研究员、陈军院士和李永研究员。

第一作者为吴岚清，南开大学化学学院2022级博士研究生。

研究依托特种化学电源全国重点实验室、有机新物质创造前沿科学中心、物质绿色创造与制造海河实验室等平台开展。

结语

从锂氧配位到锂氟配位，看似只是一个原子的替换，实则是电池化学百年发展史上的一次范式跃迁。

南开大学团队用系统的分子设计、深入的机理研究和扎实的器件验证，证明了弱配位加低黏度策略可以同时实现低温快动力学与高电压稳定性的统一，为高能量密度、宽温域锂金属电池开辟了全新路径。

当氟原子在电解液中上位，我们离全气候能源系统的时代，又近了一大步。