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【顶刊论文科普解读】从氧到氟,科学家为锂电池电解液“换赛道”

来源:光明网2026-02-28 13:11

  “续航焦虑”是不少新能源汽车车主最头疼的事。如何让现有锂电池在体积与重量不变的情况下,实现续航成倍增长?

  北京时间2月26日凌晨,国际顶尖学术期刊《自然》在线发表我国科学家在高比能锂电池领域的最新研究进展,通过全新的电解液技术,有望使现有锂电池在同等大小和重量的情况下,续航力成倍提升,耐低温性能也明显增强。

【顶刊论文科普解读】从氧到氟,科学家为锂电池电解液“换赛道”

  论文截图

  给锂电池电解液“换赛道”‌

  自1880年意大利物理学家亚历山德罗·伏特发明首个电堆以来,电池性能的每一次迭代升级,都离不开电解液的革新。如果把锂电池比作一台精密的能量机器,电解液就相当于它的“血液循环系统”,负责承载锂离子的传输,支撑电池完成充放电的核心过程。

  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酯类溶剂组成,氧原子如同“桥梁”,助力锂盐溶解,保障锂离子顺畅迁移,支撑电池稳定工作。

  这套传统的锂-氧配位模式已十分成熟,但随着新能源汽车续航升级,极寒地区能源供给、航空航天等高端场景的需求提升,这套方法有些“力不从心”。

  传统溶剂浸润性较差,需要大量使用才能保障效果,挤占了电池内部的空间,使得高能量密度、小型化的需求难以实现。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,通常在零下50℃以下电池就难以工作。就像寒冷天气会导致人体的血管收缩,血液流动速度变慢一样,低温时,电解液黏度增大,离子迁移速率减慢,电池内阻随之上升,电化学反应的速度变慢,电池的可用容量自然就会下降。

  怎么实现“既要又要”的结果?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走出了一条“反常规”的研发之路——放弃锂-氧配位,改用锂-氟配位。通过设计合成系列新型氟代烃溶剂分子,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。

【顶刊论文科普解读】从氧到氟,科学家为锂电池电解液“换赛道”

  氟配位卤代烃电解液的设计思路

  别看只是氧和氟的一字之差,性能却有着巨大的提升。

  赵庆介绍,氟代烃溶剂浸润性好,利用率高,可显著降低电解液用量。而且锂与氟配位更弱,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。

  从极寒到深空 解锁更多可能

  以氟代氧,打破了过去二百多年来电池电解液依赖氧原子的格局。对于普通消费者而言,对这项成果最直观的感受,或许是破解新能源汽车的续航与低温焦虑。

  目前,商用新能源汽车的续航里程多在400-600公里,一旦成果落地应用,续航可翻倍提升。陈军介绍,经过实验室推算,基于该电解液的高比能电池如果安装在新能源汽车上,充一次电可以行驶超过1000公里甚至更高。未来,也许可以一次充电从北京直达上海。此外,在0℃环境下,传统锂电池只能释放约1/3的电量,该电池可以释放约70%电量,极大提高了效能。

  在极端环境与特殊领域中,这项技术的优势则更为凸显。

  “基于该电解液的高比能电池在具身智能机器人、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。

  在航空航天、低空经济领域,它的高比能、轻量化等特质,能为深空探测器和极地科考站装上一颗不怕冷的“心脏”,为无人机、电动垂直起降飞行器等提供更持久的动力支撑,飞得更远、工作更久;在具身智能机器人领域,高能量密度与稳定的低温性能,能提升机器人的续航能力与环境适应性,拓展其在各类场景中的应用可能。

【顶刊论文科普解读】从氧到氟,科学家为锂电池电解液“换赛道”

  科研团队开展实验

  从实验室走向产业化落地,还需要攻克成本控制等一系列难题,但人类对高效能源的探索从未停歇。未来,随着技术的持续迭代、工艺的不断成熟,这项成果将解锁更多可能。(记者蔡琳 视频拍摄 李享)

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