我科学家研发出锂电池“新配方”

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科技日报记者 陈曦 通讯员 李享

记者2月26日从南开大学获悉，该校化学学院研究员赵庆，中国科学院院士、南开大学常务副校长陈军团队，联合上海空间电源研究所研究员李永在《自然》发表突破性成果。研究团队打破锂电池延续两百年的“氧配位”传统，创新设计出氟配位的新型电解液。该技术用氟原子取代氧原子溶解锂盐，大幅提升溶剂利用率，成功研制出能量密度高达700瓦时/公斤的锂金属电池。更关键的是，新电池在零下50摄氏度的极寒环境中，仍能释放接近400瓦时/公斤的高能量，为新能源汽车及极地探索等场景提供全新动力方案。

据介绍，自1800年伏特发明了电堆（伏特电池）起，电池已经深入我们生活的各个角落。从铅酸电池、镍氢电池再到被称为现代社会“能量心脏”的锂电池，电池体系的变革离不开电解液的更新迭代。

长久以来，氧原子被认为是电解液溶剂中不可或缺的元素。如目前商用的锂电池电解液通常由锂盐和碳酸酯类溶剂组成，锂与碳酸酯溶剂中氧的离子—偶极作用可促进锂盐的溶解。然而，这种溶剂浸润性差，用量多，导致电池能量密度始终难以进一步提升；同时，强相互作用会阻碍电池中界面电荷转移，限制低温性能，通常-50℃以下电池就难以工作。

为此，南开大学团队设计合成了系列新型氟代烃溶剂分子，通过调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，实现电解液中锂盐的有效溶解，成功取代了传统的锂—氧配位方式。

通过进一步优化分子结构，团队厘清了该类电解液的设计原则和锂金属相容性规律。相比于传统基于锂—氧配位的电解液体系，由于氟代烃溶剂浸润性好，利用率高，可显著降低电解液用量；同时锂与氟配位更弱，在低温下可摆脱束缚，仍具有快速的电荷转移动力学。从而助力实现室温700瓦时/公斤超高比能锂金属电池，同时在-50℃环境中，电池仍展现出接近400瓦时/公斤的高能量密度。

赵庆介绍，通过氟配位实现锂盐溶解的关键是调控氟原子的电子密度和溶剂分子的空间位阻，新研发锂电池具有高比能、耐低温等优势。

“基于该电解液的高比能电池在新能源汽车、具身智能机器人、低空经济以及极寒地区和航空航天等领域具有广阔的应用潜力。”陈军说。