由“氧”到“氟” 锂电池练就强劲心脏

　　“十五五”规划纲要提出，加快新一代信息技术、新能源、新材料、智能网联新能源汽车、机器人、生物医药、高端装备、航空航天等战略性新兴产业发展。锂电池被广泛运用于新能源汽车领域，但目前存在续航里程有限、低温环境表现有待提高等问题。如何让锂电池提升续航能力和耐低温性能？本期“院士讲科普”，我们邀请中国科学院院士、南开大学常务副校长陈军教授，讲解新型电池的科研进展。

　　——编者

　　锂电池被广泛运用于新能源汽车领域，但“续航焦虑”仍令不少车主头疼。如何让现有锂电池在体积与重量不变的情况下，实现续航成倍增长？

　　今年，由南开大学和上海空间电源研究所等单位科研人员组成的团队，取得锂电池关键技术新突破。团队通过全新的电解液技术，有望使锂电池实现续航能力成倍提升、耐低温性能明显增强。这一成果在国际学术期刊《自然》上发表，受到广泛关注。

　　遇到瓶颈

　　锂电池的“成长烦恼”

　　锂电池堪称现代社会的“能量心脏”，从手机、新能源汽车到航天器，都有锂电池的身影。然而，这颗“心脏”主要有两个“成长烦恼”：一是续航焦虑，二是低温趴窝。

　　前者源于能量密度提升瓶颈。我们希望电动车能够一次充电跑上千公里，手机续航一周不用再次充电，这需要电池在不改变体积和重量的情况下储存更多的电能。遗憾的是，过去几十年来，锂电池的能量密度提升遇到了困难，如同百米短跑运动员的成绩，11秒要突破到10秒以内，每一步都异常艰难。

　　后者源于电化学反应速率随温度下降而变慢。在北方寒冷的冬天，很多车主会明显感觉电动车续航里程“打折”，一些用户也发现手机会突然关机，这正是锂电池低温性能不佳的表现。

　　为了突破瓶颈，科学家尝试了许多方法，但大多围绕着“锂—氧配位”这一基础规则。在传统锂电池的电解液中，溶剂分子（可以想象成运送锂离子的小车）上普遍含有氧原子。锂离子通过与氧原子“手拉手”（配位）的方式，被溶剂装载和运输。然而，在“氧基”模式下，锂离子“上车易下车难”，拖慢充放电；化学窗口窄，电池能量密度难提升；溶剂在高温或滥用情况下易燃，安全性存在挑战。可以说，“锂—氧配位”这一基础规则，本身就设定了电池性能的天花板。

　　创新赛道

　　“锂—氟配位”效果好

　　电解液是锂电池的“血液”和“高速公路”，其性能直接决定了离子传输的效率、电池工作的电压窗口和温度范围。电解液的革新往往是电池迭代升级的关键。因此，团队尝试聚焦溶剂分子底层革新，给电解液换个赛道。

　　我们选择从根本上改变离子“坐车”的规则——从传统的“锂—氧配位”转向“锂—氟配位”。如果把锂离子穿越电池的过程比作一场旅行，那么溶剂分子就是它乘坐的交通工具。过去，它一直坐的是“氧基马车”，速度慢、负重低、怕颠簸（低温）。现在，我们为它设计了一辆全新的“氟基超级跑车”，研发“氟代烃溶剂”作为“跑车”的材料。

　　为什么是氟？氟是元素周期表中电负性最强的元素，吸引力极强。当锂离子与氟原子“牵手”时，这种结合力更强、更稳定。我们通过分子设计，使得氟原子与锂离子的结合具有恰到好处的“弱相互作用”，既能稳定地装载离子，又能在需要时轻松释放，让离子的“上下车”效率（脱溶剂化能）大大提升。

　　全氟化或高度氟化的溶剂分子具有极高的氧化稳定性。由它们构成的电解液能够承受更高的电压而不被分解，这为我们匹配更高电压的正极材料，从而大幅提升电池能量密度扫清了关键障碍。

　　氟代烃溶剂通常具有优异的阻燃性和极低的凝固点。前者让电池的“血液”本身更难燃烧，提升了安全性；后者则让电解液在极寒环境下也能保持流畅，解决了电池的低温趴窝问题。

　　总的来说，“锂—氟配位”通过氟代烃溶剂实现了“用量更少、跑得更快、更耐低温”的效果，好比为锂电池换上了一颗更强大、更耐用的“心脏”。

　　想象未来

　　从实验室到改变生活

　　这项突破将为我们描绘出怎样的未来图景？

　　首先，它有望实质性破解新能源汽车的续航与低温焦虑。实验表明，基于新电解液体系的锂电池，在同等体积和重量下，其能量密度有望比目前顶级的传统锂电池提升一倍以上。未来搭载此类电池的电动车续航里程突破1000公里将成为可能。同时，即使在严寒环境中，电池依然能保持大部分活性，让北方的朋友冬天开车不再担心。

　　其次，它将为诸多前沿领域提供更强劲的动力。在低空经济与航空航天领域，更长续航、更轻量化的电池是“空中出租车”、物流无人机及高空长航时飞行器的作业基础，也为深空探测等尖端装备提供新选项。在具身智能与算力中心领域，人形机器人、外骨骼需要高能量密度、高安全性的动力源，算力中心也面临能源需求飙升。一颗强大的“氟基”电池，正是它们的力量之源。

　　当然，这项技术从实验室走向规模化量产，还需要解决氟代烃溶剂的大规模低成本合成与纯化问题，需要优化与之匹配的正负极材料体系，需要建立全新的电池制造工艺与品控标准，可能还需要1—2年甚至更长时间的工程化攻关。

　　放眼未来，我们看到了电池乃至整个电化学储能领域发展的新方向：从原子、分子层面进行原创性的材料设计，通过突破传统规则的应用边界（如配位化学），来颠覆现有技术路径。这不只是单项技术的突破，更可能引发正极、负极、隔膜等一系列材料的连锁创新，推动电池技术进入一个全新的代际。

　　（作者为中国科学院院士、南开大学常务副校长，本报记者李家鼎采访整理）