国际顶尖学术期刊《自然》在线发表了南开大学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、特种化学电源全国重点实验室主任陈军，联合上海空间电源研究所研究员李永在高比能锂电池领域的最新研究进展，这项研究为锂电池的性能提升带来了革命性的突破。
自 1800 年伏特发明了电堆（伏特电池）起，电池已经深入到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，目前商用的锂电池电解液通常由锂盐和碳酸溶剂组成，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。
在这项研究中，团队使用了多种先进的科研仪器来完成实验和表征：
·核磁共振波谱仪（NMR）：用于分析氟代烃溶剂分子的结构，确定分子中原子的连接方式和空间构型，为分子设计提供结构依据。
·拉曼光谱仪：用于表征电解液中锂盐与溶剂的相互作用，分析配位键的变化，验证氟配位取代氧配位的过程。
·X 射线光电子能谱仪（XPS）：用于分析电极 / 电解液界面的化学组成和电子结构，研究界面电荷转移机制，优化电解液与电极的相容性。
·飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）：用于分析电解液在电极表面的吸附和分解产物，深入研究界面反应过程，为电解液优化提供依据。
·扫描电子显微镜（SEM）：用于观察电极表面的形貌变化，研究电解液对电极结构的影响，确保电池循环过程中电极的稳定性。
·电化学工作站：用于测试电池的电化学性能，包括循环伏安、交流阻抗等，分析电池的电荷转移动力学和内阻变化。
·电池循环测试系统：用于模拟电池在不同温度下的循环性能，测试室温下 700Wh/kg 的超高比能和 - 50℃下接近 400Wh/kg 的能量密度，验证电池的实际应用能力。
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。
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