醚类溶剂“分子抱团”，钠电池耐寒又耐热
在极寒的北极科考站、酷热的沙漠无人区，甚至未来的深空探测器上，电池常常“罢工”——低温下充不进电，高温下又怕起火爆炸。如何让电池在宽温域（比如从零下40℃到70℃）都能稳定工作，一直是能源领域的难题。
最近，郑州大学付永柱教授与唐帅副教授团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表了一项突破性研究：他们通过巧妙设计醚类电解液溶剂的分子结构，不仅保留了其“弱溶剂化”优势以提升低温性能，还显著增强了分子间的“抱团力”，大幅提高沸点，从而实现了钠金属电池在−40℃至70℃宽温范围内的稳定循环。
这项工作颠覆了一个长期被忽视的认知：低温脱溶剂化能垒不仅取决于离子与溶剂的相互作用，还受溶剂分子之间相互作用的显著影响。
为什么钠电池适合极端温度？
相比广泛应用的锂离子电池，钠金属电池天生更适合低温环境。这是因为钠离子半径更大、电离能更低，与溶剂分子的结合更“松散”——专业术语叫弱溶剂化作用。这种特性使得钠离子在低温下更容易“甩掉”包裹它的溶剂分子（即“脱溶剂化”），从而顺利嵌入电极，维持电池反应。
然而，传统用于钠电池的弱溶剂化醚类溶剂（如1,3-二氧戊环DOL、四氢呋喃THF）虽然低温性能好，却有一个致命缺点：沸点低、易挥发。例如，DOL沸点仅75℃，THF更是只有66℃。一旦电池在高温环境（如夏季户外或密闭舱体）中运行，溶剂极易气化，引发胀气、泄漏甚至燃烧。
这就形成了一个两难困境：要低温性能，就得用弱溶剂化溶剂；但这类溶剂往往不耐高温。
巧妙“升级”分子结构：让溶剂既“松”又“稳”
研究团队没有另起炉灶，而是对经典弱溶剂化醚DOL进行了分子层面的精巧改造。
他们将DOL五元环中的一个亚甲基（–CH₂–）替换为氧原子，得到六元环的1,3-二氧六环（DX）；再进一步在环上引入一个甲基，得到4-甲基-1,3-二氧六环（MDX）。
这一改动看似微小，效果却显著：
- 保留弱溶剂化能力计算显示，DX和MDX与Na⁺的结合能仅为约−1.35 eV，远低于强溶剂化溶剂如DME（−2.33 eV），说明它们仍能让钠离子轻松脱溶。
- 大幅提升沸点DX和MDX的蒸发热高于DOL，甚至超过商用碳酸酯溶剂DMC；预测饱和蒸气压也显著更低，实验证实其热稳定性更好。
- 增强分子间作用通过结合能计算、扩散核磁（DOSY）和分子动力学模拟，团队证实DX和MDX分子之间存在更强的范德华力等分子间相互作用，就像分子“抱团”更紧，不易逃逸。
宽温域性能实测：−40℃照样稳定充放电
研究人员将DX与MDX按比例混合，并加入少量高沸点醚G2（提升离子电导率），配制成新型电解液（记为NaPF₆–GDX）。
结果令人振奋：
- 在−40℃的极寒环境下，钠金属对称电池仍能在0.5 mA cm⁻²电流密度下稳定循环超过500小时；
- 在70℃高温下，电池无明显胀气或分解，循环稳定性优异；
- 全电池（搭配Na₃V₂(PO₄)₃正极）在−20℃下容量保持率达90%以上，远超传统电解液体系。
更重要的是，动力学分析揭示了一个新机制：在低温下，溶剂分子之间的强相互作用会“拖住”整个溶剂化鞘层，反而增加脱溶剂化能垒。而DX/MDX恰到好处的中等分子间作用力，在保证低挥发的同时，并未显著阻碍脱溶过程——找到了性能与安全的“黄金平衡点”。
未来可期：为极端环境储能提供新思路
这项研究不仅解决了钠金属电池的宽温域难题，更提出了一个普适性策略：通过调控溶剂分子间相互作用来优化电解液性能。过去的研究多聚焦于“离子-溶剂”作用，而忽略了“溶剂-溶剂”这一隐藏变量。
该策略有望推广至锂、钾等其他金属电池体系，为电动汽车高寒地区使用、航空航天电源、深海探测设备等场景提供更安全、更可靠的储能解决方案。
如果你的手机在南极也能满电刷视频，或许就靠这样的“聪明溶剂”。你认为下一代电池最需要突破的极限是什么？欢迎留言讨论！
