近日，我院张力教授与福建农林科技大学林建德副教授合作，在低温钠金属电池电解液溶剂化结构调控领域取得重要进展，相关成果以“Synergistically Competitive Coordination for Modulating Electrolyte Solvation Structures Toward High-Performance Low-Temperature Sodium Metal Batteries”为题发表于Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.73375）。
钠金属电池（SMBs）凭借钠资源丰富、成本低、金属钠理论比容量高（1166 mAh g-1）及低工作电位（-2.714 V vs. SHE）等优势，被认为是面向低温大规模储能的重要候选体系。然而，在严寒环境中，电解液黏度升高、离子迁移迟缓，尤其是Na+ 脱溶剂化能垒显著增加，易诱导形成有机组分富集且不稳定的固体电解质界面膜（SEI），最终导致钠沉积/剥离库仑效率下降、界面副反应加剧和循环寿命衰减。低熔点、低黏度的醚类溶剂因对钠金属具有较好化学稳定性，被广泛应用于低温电解液设计。其中，1，2-二乙氧基乙烷（DEE）由于烷基链较长、溶剂化能力相对较弱，被视为极具潜力的弱溶剂化溶剂；但其两个氧原子在电子结构上相对孤立，仍可通过准双齿配位与Na+ 形成局部强相互作用，造成较高Na+-DEE结合能，进而阻碍极低温下Na+ 快速脱溶剂化，并促进不稳定有机界面膜生成。同时，依赖单一弱溶剂化溶剂，难以同时兼顾高库仑效率、高电压稳定性和低温耐受性的挑战。
针对上述研究挑战，研究团队提出“协同-竞争配位”电解液设计策略，并选择二甲氧基甲烷（DMM）作为弱配位共溶剂引入DEE基电解液。一方面，DMM分子中氧原子的孤对电子可通过−O−C−O−骨架发生部分离域，削弱其对Na+ 的电子给体能力；另一方面，DMM能够进入Na+ 第一溶剂化鞘层，与DEE竞争Na+ 配位位点。通过“弱配位但可参与”的分子设计，削弱Na+-DEE之间的局部强相互作用，降低低温下Na+ 脱溶剂化能垒，并促进PF6-阴离子参与溶剂化结构构筑，为低温下快速Na+ 传输、稳定界面形成和低温可逆钠沉积/剥离提供有利条件。基于该机制构建的1 mol/L NaPF6−DEE/DMM（F−DEE/DMM）电解液在低温钠金属电池中表现出优异的电化学性能：Na∥Na对称电池在-20 °C及-40 °C下分别稳定运行超过4000 h和3500 h；Na∥Cu电池在-20 °C下循环200圈仍保持99.7%的平均库仑效率。同时，NaFe1/3Ni1/3Mn1/3O2∥Na全电池在-20 °C条件下实现4.0 V钠离子存储，并循环200圈后容量保持率达78.7%；Na3V2(PO4)3∥Na全电池在-40 °C循环300圈后仍保持99.2%的可逆容量。该工作通过共溶剂分子的配位调控，实现了Na+ 快速脱溶剂化、稳定SEI构筑与高电压正极兼容性的协同提升，为严寒环境下高效、长寿命钠基储能体系提供了新的电解液设计思路。
该研究工作由张力教授和林建德副教授共同指导下完成，主要由我院博士后刘妙和2024级硕士研究生林佳莉完成（共同第一作者）。该研究工作得到国家自然科学基金（92372101, 92472203）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720220010）、中国博士后科学基金（2024M751764）、福建省自然科学基金（2025J01572）以及厦门大学南强青年拔尖人才计划等项目资助。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73375
