郑州大学付永柱、唐帅Nature Communications!!重塑醚类溶剂分子结构!打造可超宽温域稳定运行的钠金属电池

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在深海探测、航空航天以及各类极端气候环境中，市场与应用场景对具备宽温域工作能力的充电电池提出了明确且严苛的要求。钠金属电池凭借离子与溶剂相互作用弱、低温阶段离子脱溶剂化阻力小、理论储电容量高以及电极平衡电位低等诸多优势，成为适配宽温域储能场景的优选技术路线。醚类电解液是钠金属电池常用体系，该类电解液和钠金属负极适配性良好，能够保障电池拥有较高库仑效率。不过传统弱溶剂化醚溶剂普遍存在沸点偏低、挥发性强的问题，在高温环境下使用会产生明显安全风险，而当前市面上低挥发性溶剂又难以兼顾电池低温下的电化学动力学性能。如何开发出同时具备低挥发特性与弱溶剂化能力的新型电解液，破解高低温性能难以兼顾的困境，已经成为制约宽温域钠金属电池产业化发展的核心难题，也是现阶段相关领域重点攻关的方向。

在这项研究中，研究人员针对传统弱溶剂化醚溶剂的短板，开展分子结构优化设计工作，以常用的 1,3 - 二氧戊环为基础结构进行改性，合成出 1,3 - 二氧六环与 4 - 甲基 - 1,3 - 二氧六环两种全新环状醚溶剂。测试与计算结果显示，两种新溶剂分子间作用力得到强化，挥发性显著下降，沸点超越部分商用碳酸酯溶剂，同时保留了原有的弱溶剂化特性。团队将新溶剂与二乙二醇二甲醚复配，配制出 0.5 M NaPF₆-GDX 复合电解液，解决了单一新溶剂钠盐溶解能力不足、离子电导率偏低的问题。该复合电解液可让钠金属电池在 - 40 ℃至 70 ℃区间内正常工作，不同类型电池均表现出优秀的循环稳定性。结合多项表征与模拟手段，研究人员证实溶剂分子间作用力和离子 - 溶剂作用力会共同影响钠离子脱溶剂化能垒，分子间作用力强度需要控制在合理范围，才能保障电池在全温域内稳定运行。

本次研究通过分子结构改造的方式优化传统弱溶剂化环状醚，强化溶剂分子间相互作用，成功制备出两种高沸点弱溶剂化醚溶剂，搭配二乙二醇二甲醚形成的复合电解液，可支撑钠金属电池在 - 40 ℃至 70 ℃的超宽温度范围持续运行，对称电池、全电池以及软包电池均实现长周期稳定循环。研究明确了溶剂分子间作用力是决定宽温域钠金属电池综合性能的核心要素，适度提升该作用力，既能降低溶剂挥发水平，提升电池高温安全性与循环寿命，还能在低温环境下优化钠离子溶剂化鞘层结构，降低脱溶剂化与界面重组的能量壁垒，改善低温动力学性能。但分子间作用力不宜过高，否则会造成溶剂聚集、电解液凝固，阻碍离子正常传输。该研究跳出以往侧重调控离子 - 溶剂相互作用的传统思路，提出以优化溶剂分子间作用为核心的电解液设计方案，为宽温域钠金属电池溶剂与电解液的研发提供了可行的参考方向。