这篇发表于Nature的论文提出了一种全新的氟（F）基配位电解液体系，突破了传统电解液依赖氧（O）或氮（N）配位的局限。
一、 研究背景与核心创新
传统锂电池电解液（如醚类、碳酸酯类）依靠 O-Li⁺ 强配位溶解锂盐，但这种强相互作用导致 Li⁺ 在电极界面脱溶剂化能垒高，严重制约了快充和低温性能。
核心突破：通过合成单氟代烷烃（HFCs），设计具有特定空间位阻和刘易斯碱度的 F 基配体，利用弱 F-Li⁺ 配位实现锂盐溶解，同时大幅降低脱溶剂化能垒。
 
二、 关键科学发现与设计原则
1. 分子设计原则
电子云密度：单氟代基团（-CH₂F）的 F 原子电子云密度高于二氟代/三氟代，有利于解离锂盐。
空间位阻：对称的线性结构（如 DFP）位阻小，溶解度高；含有支链甲基的异构体（如 iso-DFB）因位阻过大无法溶解锂盐。
2. 溶剂化结构与传输机制
弱配位结构：在 1,3-二氟丙烷（DFP）电解液中，Li⁺ 主要与阴离子（FSI⁻）形成聚集体（AGG），溶剂 F 处于外层弱配位。
配体交换机制：Li⁺ 传输主要依靠配体交换而非载体运输，使得在 -70°C 极端低温下仍保持离子电导率 \((0.29 \text{ mS cm}^{-1})\)。
三、 电化学性能优势
1. 界面动力学与低温可逆性
交换电流密度：在 -50°C 下，DFP 电解液的交换电流密度比传统醚类电解液**高出一个数量级**。
库伦效率：在 -70°C 至 25°C 宽温域内，锂沉积/剥离库伦效率均 > 98%。
2. 高能量密度软包电池实证
超高能量密度：在贫液条件下 \((0.48 \text{ g Ah}^{-1})\) 组装了707 Wh kg⁻¹的锂金属软包电池（NMC811 或 Ni96 正极）。
低温放电：-50°C 下软包电池能量密度仍可达约400 Wh kg⁻¹。
四、 文献原图精选

图 1 | HFC 电解液溶剂的设计原则与特性
该图展示了 F 基配位相对于传统 O 基配位的优势（弱结合能、低粘度），以及单氟代结构（DFP/DFB）与异构体（iso-DFB）在溶解能力上的巨大差异。


图 2 | 电解液的溶剂化结构表征与离子输运机制
a-c：拉曼光谱与核磁共振谱显示 DFP 中 Li⁺ 与阴离子聚集度高，溶剂配位弱。
d：宽温域离子电导率表现。
e-g：分子动力学模拟快照，展示了离子簇结构及配体交换主导的输运机制。


图 3 | 锂金属沉积/剥离行为与 SEI 表征
a：DFP 在不同温度下的交换电流密度远优于传统 DMP。
d：在 -50°C 下稳定的库伦效率。
i：扫描电镜图像显示 DFP 电解液中沉积的锂金属致密、均匀。


图 4 | 高能量密度锂金属电池在宽温域下的电化学性能
g-k：展示了 700 Wh kg⁻¹ 级别软包电池的质量占比、循环性能及在 -70°C 下的放电能量密度。


图 5 | 扩展 HFC 电解液至全气候电池的分子工程
展示了通过延长碳链和调节氟化程度（如 TFPT），在保持电化学稳定性的同时提升沸点（>100°C），以适应高温环境。
https://doi.org/10.1038/s41586-026-10210-6

转自《石墨烯研究》公众号