【背景挑战】
钠金属电池凭借离子溶剂作用弱、低温动力学优异等优势，在极端天气、深海、航空航天等宽温域储能场景中具备巨大应用潜力。目前醚类弱溶剂化电解液是适配钠金属负极的主流体系，可有效降低钠离子脱溶剂能垒，提升低温下电化学可逆性，但传统弱溶剂化醚溶剂普遍沸点低、挥发性强，电池在高温工况下存在严重安全隐患。现有电解液改性方案大多只聚焦离子 - 溶剂相互作用，忽略溶剂分子间作用力对高低温性能的协同影响，难以同时兼顾低温反应动力学与高温热稳定性，成为宽温域钠金属电池规模化应用的主要阻碍。
【文献导入】
本工作对传统弱溶剂化醚溶剂进行分子结构重构，通过扩环、甲基取代等方式设计出 1,3 - 二氧六环（DX）与 4 - 甲基 - 1,3 - 二氧六环（MDX）两款新型溶剂。新溶剂在保留弱溶剂化特性的同时，分子间作用力显著增强、沸点大幅提升，有效解决高温挥发问题。将 DX、MDX 与强溶剂化二甘醇（G2）复配，搭配六氟磷酸钠（NaPF6）盐制备复合电解液。该电解液体系可让钠金属电池在-40 ℃至 70 ℃超宽温度区间内稳定运行。研究同时证实，除离子 - 溶剂作用外，溶剂分子间作用力是影响低温脱溶剂过程的关键因素，为宽温域电解液的分子设计提供了全新思路。
【创新点】
① 结构创新：对经典弱溶剂化醚进行分子改性，在保留原有溶剂化能力的基础上，强化分子间相互作用，同步提升溶剂沸点与热稳定性。 ② 机理创新：阐明溶剂分子间作用力、离子 - 溶剂作用力对钠离子脱溶剂行为的双重影响，完善宽温域电解液的作用机制理论。 ③ 性能创新：电解液适配 - 40 ℃至 70 ℃超宽温域，钠对称电池、钠磷酸钒（Na||NVP）全电池及软包电池均展现出超长循环寿命与稳定电化学性能。 ④ 应用创新：改性策略简单易行，仅通过溶剂分子结构调控即可实现高低温性能兼顾，普适性强，易于工程化落地。
【图文详解】
图 1 宽温域电解液整体设计思路
a 宽温域电解液性能要求与溶剂分子间作用的关联；b 强溶剂化碳酸酯、醚类溶剂特性；c 传统弱溶剂化醚溶剂短板；d 本研究改性后高沸点弱溶剂化醚设计理念。
1）宽温域电池对电解液提出双重要求：低温需低脱溶剂能垒，高温需低挥发性、高安全性；
2）常规强溶剂化溶剂脱溶剂阻力大，低温性能差；传统弱溶剂化醚沸点低，高温易挥发，存在安全风险；
3）本研究通过分子修饰强化溶剂间作用力，打造高沸点、弱溶剂化新型醚溶剂，匹配全温域使用需求。
图 2 溶剂理化性质与基础电解液性能
a 多种溶剂沸点、分子间作用、静电势及钠离子结合能对比；b 不同溶剂汽化焓测试结果；c 不同温度下溶剂饱和蒸气压变化；d 三类环醚分子间结合能；e 各溶剂分子静电势分布；f 溶剂与钠离子结合能；g 不同电解液全温域离子电导率；h、i 两类电解液组装钠对称电池在不同温度下的电压曲线。
1）DX、MDX 汽化焓更高、饱和蒸气压更低，挥发性远低于传统 1,3 - 二氧戊环（DOL），高温稳定性大幅提升；
2）DX、MDX 保持弱溶剂化特征，与钠离子结合能与 DOL 接近，远低于二甘醇、碳酸酯类强溶剂； 3）复配后的 GDX 电解液全温域离子传导能力优异，在高低温下均可保障电池正常工作，纯 G2 电解液低温极化明显增大。
图 3 钠金属电池宽温域电化学性能
a 50 ℃钠对称电池长循环曲线；b 25 ℃与 - 40 ℃钠对称电池循环表现；c 本体系与文献电池性能对标；d、e 高低温下 Na||NVP 扣式电池循环曲线；f 全电池不同温度充放电特征；g、h 室温钠基软包电池循环性能；i 低温软包电池测试结果；j、k 电池变温循环稳定性。
1）钠对称电池在 50 ℃、25 ℃、-40 ℃分别稳定循环 600 h、1700 h、2000 h，极化电压始终维持在较低水平；
2）Na||NVP 扣式电池在 50 ℃、-40 ℃循环 500 圈、室温循环 1600 圈后仍保有较高可逆容量；
3）软包电池同样表现优异，室温循环 400 圈、低温循环 50 圈后容量衰减缓慢，整套体系实用性得到验证。
图 4 不同温度下电解液溶剂化结构分析
a-c 50 ℃、25 ℃、-40 ℃下 GD 电解液径向分布函数；d 不同温度下溶剂在第一溶剂化层占比；e 溶剂分子平均停留时间统计；f 溶剂化层结构转变示意图；g 多款环醚分子间结合能对比；h 弱溶剂组分占比变化；i 不同电解液钠离子脱溶剂能。
1）室温与高温环境中，溶剂化层以强溶剂化 G2 为主；温度降至 - 40 ℃时，DX、MDX 大量进入溶剂化层；
2）分子间作用过强的溶剂易出现团聚、凝固现象，反而破坏溶剂化结构；
3）GDX 电解液低温脱溶剂能基本保持稳定，纯 G2 电解液脱溶剂能显著上升，证明弱溶剂组分可有效优化低温动力学。
图 5 界面反应动力学分析
a 不同电解液溶剂重组能；b 反应自由能变化曲线；c 低温下钠离子脱溶剂从头算分子动力学模拟。
1）低温环境中纯 G2 电解液溶剂重组能大幅升高，界面电荷传输受阻；GDX 电解液增幅极小，动力学优势明显；
2）分子动力学模拟直观证明，低温下 DX、MDX 更易从溶剂化层脱离，加快钠离子脱溶剂进程。
图 6 负极界面与电解液高温稳定性表征
a、b 不同温度下电解液弛豫时间分布；c-e 负极界面飞行时间二次离子质谱、X 射线光电子能谱测试；f 宽温域溶剂整体设计总结。
1）两类电解液形成的固体电解质界面（SEI）组分相近，性能差异主要来源于电解液溶剂化结构，而非界面相；
2）GDX 电解液高温下界面阻抗、气体析出、钒元素溶出均得到有效抑制，综合热稳定性更强；
3）总结得出：合理调控溶剂分子间作用力，是开发宽温域电解液的核心设计思路。
【结论总结】
本工作针对传统弱溶剂化醚电解液沸点低、高温安全性差的问题，通过分子结构改性设计出 DX、MDX 两款新型环醚溶剂，在保留弱溶剂化特性的同时增强分子间作用力、降低挥发性。将新溶剂与二甘醇复配得到的电解液，可支撑钠金属电池在 - 40 ℃至 70 ℃超宽温度区间稳定运行。研究证实，溶剂分子间作用力与离子 - 溶剂作用力共同决定钠离子脱溶剂能垒，分子间作用过强或过弱都会损害电池性能。该电解液体系兼顾优异离子传导、稳定钠沉积行为与高低温耐受性，钠对称电池、Na||NVP 全电池及软包电池均实现超长循环。本研究提出的溶剂分子改性策略简单高效，明确了分子间作用在宽温域电解液设计中的重要价值，为各类耐高低温金属电池电解液开发提供了新的理论依据与技术方案。
【文献速递】
Intermolecular interactions optimization in weakly solvating ether solvents for wide-temperature Na metal batteries. Nature Communications, 2026; https://doi.org/10.1038/s41467-026-74051-7
