钠金属负极具有高的理论容量（1166 mAh g⁻¹）和低的平衡电位，且钠离子半径较大、电离能较低，使其具有更弱的溶剂化效应和更优异的低温动力学，被认为是宽温应用的有力候选。
然而，当工作温度从室温扩展至宽温范围时，低温下离子电导率和脱溶剂化过程受阻，高温下则面临界面不稳定和安全风险。
尽管弱溶剂化醚类电解液可通过降低脱溶剂化能垒来改善低温性能，但常规弱溶剂化溶剂（如DOL、THF）沸点低、挥发性高，在高温下存在安全隐患。因此，设计兼具低挥发性和弱溶剂化能力的新型溶剂，成为实现宽温钠金属电池的关键挑战。
近日，郑州大学付永柱、唐帅在Nature Communications发表了题为"Intermolecular interactions optimization in weakly solvating ether solvents for wide-temperature Na metal batteries"的研究论文，Mengjie He、Yunsen Liu、Zhiling Wang为论文第一作者，付永柱、唐帅为论文通讯作者。
核心亮点
1. 设计高沸点弱溶剂化醚类溶剂DX与MDX，兼顾高温安全性与低温电化学可逆性
2. 电解液在-40至70°C宽温范围内稳定工作，Na||NVP电池循环500次容量保持优异
3. 揭示溶剂分子间相互作用在低温脱溶剂化动力学中的关键作用，完善宽温电解液设计准则
4. 溶剂化鞘层随温度自适应转变：低温下弱溶剂化溶剂进入鞘层，有效降低脱溶剂化能垒
5. 优化分子间相互作用为宽温钠金属电池提供简便且有前景的通用策略
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宽温电池的开发对于极端天气条件下的应用以及深海和太空探索等科学活动至关重要。钠金属电池具有较弱的离子-溶剂相互作用，与锂电池相比可在低温下促进更容易的脱溶剂化。弱溶剂化电解液可进一步降低脱溶剂化能垒，从而增强低温下的电化学可逆性。
然而，传统弱溶剂化溶剂具有高挥发性，对高温应用构成安全隐忧。在此，该团队重新设计典型弱溶剂化醚的分子结构以增强分子间相互作用，从而在保留低溶剂化特性的同时提高其沸点。
结果表明，钠金属电池在0.5 mA cm⁻²电流密度下可在-40至70°C宽温范围内表现出稳定性能。此外，动力学研究突出了溶剂分子间相互作用在影响低温脱溶剂化能垒方面先前被忽视但至关重要的作用，除离子-溶剂相互作用外。因此，优化弱溶剂化溶剂的分子间相互作用被提出为实现宽温钠金属电池的一种简便且有前景的策略。
📊 图文解读
图1 | 宽温电解液设计原理示意图，展示极端温度下电解液需求与溶剂分子间相互作用的关系，以及不同溶剂化强度醚类溶剂的升级策略。
该图展示了宽温电解液的设计概念，阐明极端温度条件对电解液的要求与溶剂分子间相互作用的关系。图中对比了强溶剂化酯类/醚类、升级后的弱溶剂化醚以及一般弱溶剂化醚的分子间相互作用差异，为后续DX和MDX溶剂的设计提供了理论框架。
图2 | 宽温电解液的设计与表征，包括多种溶剂的沸点、分子间相互作用、Na⁺结合能、蒸发热、饱和蒸气压及离子电导率对比。
该图系统比较了DOL、DME、DX、MDX、G2、EC、PC等溶剂的物理化学性质。DX和MDX表现出较高的沸点和蒸发热，以及较低的饱和蒸气压，证实其低挥发性源于增强的分子间相互作用。
0.5 M NaPF₆-GDX电解液在70至-70°C范围内均保持高离子电导率，且Na||Na对称电池在-40°C下仍稳定工作，而G2基电解液则出现高且不稳定的过电位。
图3 | 钠金属电池在宽温范围内的电化学性能，包括对称电池和Na||NVP电池在不同温度下的电压曲线、循环稳定性及与文献的对比。
该图展示了0.5 M NaPF₆-GDX电解液在不同温度下的优异电化学性能。Na||Na对称电池在50°C和25°C下分别稳定循环超过600和1700小时，在-40°C下以0.5 mA cm⁻²稳定循环2000小时。
Na||NVP电池在50°C和-40°C下循环500次后仍保持110和65 mAh g⁻¹的可逆容量，25°C下可循环1600次。软包电池在25°C下循环超过400次，-40°C下仍保持83 mAh g⁻¹的可逆容量。该电解液在文献对比中展现出兼具高、低温性能的宽温优势。
图4 | 不同温度下电解液的溶剂化微观结构，通过径向分布函数、溶剂化鞘层组成、溶剂停留时间及DFT计算揭示温度依赖的溶剂化转变机制。
该图揭示了两种电解液在不同温度下的溶剂化结构差异。对于0.5 M NaPF₆-GDX，在50°C和25°C时PF₆⁻和G2主导溶剂化鞘层；
当温度降至-40°C时，更多MDX和DX进入鞘层，G2比例从约90%降至65%，而MDX和DX比例从10%升至35%。分子动力学模拟显示低温下DX/MDX在溶剂化鞘层中的停留时间增加。
DFT计算表明弱溶剂分子间结合能按DOL < DX < MDX < DMDX顺序递增，过强的分子间相互作用会导致溶剂团簇或冻结而非有效溶剂化鞘层转变。
图5 | 不同温度下的界面动力学，通过重组能和自由能计算以及AIMD模拟对比G2基与GDX基电解液的脱溶剂化过程。
该图展示了两种电解液在界面电荷转移过程中的动力学差异。在50°C和25°C时，两种电解液的重组能相近；
但在-40°C时，0.5 M NaPF₆-G2的重组能显著增加至0.23 eV，而0.5 M NaPF₆-GDX仅轻微增加至0.11 eV。这是由于低温下溶剂热运动减弱，而DX/MDX与Na⁺的较弱结合使GDX电解液保持较低的重组能垒。
AIMD模拟进一步证实，在-40°C下G2基电解液在前3 ps内无明显溶剂脱除，而GDX基电解液中G2部分脱离溶剂化鞘层，Na⁺仍与DX/MDX保持配位。
图6 | 钠金属负极界面层探索，通过DRT分析、TOF-SIMS三维离子片段成像和XPS深度剖析对比两种电解液形成的界面层差异。
该图展示了两种电解液在钠金属负极形成的界面层特征。DRT分析显示GDX基电解液在不同温度下具有更稳定的界面阻抗。TOF-SIMS三维成像显示两种电解液形成的界面层中CH⁻、F⁻、PO₃⁻、NaOH₃⁻等离子片段分布相似。
XPS深度剖析显示两种电解液在-40°C循环20次后形成高度相似的界面层，Na-O和NaF从表面到内部均存在，有机C-O、C-C物种主要在表面，P-F也出现在表面，对应电解液中残留的钠盐。
📝 总结
增强的分子间相互作用显著降低了溶剂的挥发性，同时保留了弱溶剂化特性，使基于DX/MDX的电解液能够在-40至70°C宽温范围内实现钠金属电池的稳定循环。
系统研究表明，溶剂分子间相互作用在低温脱溶剂化动力学中发挥着先前被忽视但至关重要的作用，与离子-溶剂相互作用共同决定脱溶剂化能垒。溶剂化鞘层随温度发生自适应转变：低温下弱溶剂化溶剂进入鞘层，有效降低脱溶剂化能垒；
但过强的分子间相互作用会导致溶剂团簇或冻结而非有效溶剂化转变。该工作为宽温钠金属电池的电解液设计提供了重要的理论指导和简便策略。
Intermolecular interactions optimization in weakly solvating ether solvents for wide-temperature Na metal batteries,Nature Communications,2026,DOI:10.1038/s41467-026-74051-7
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