通过溶剂共插层电解液增强硬碳钠存储，实现低温下安时级软包电池

为什么耐寒电池很重要

从雪地中的电动汽车到北极深处的传感器，许多现代设备都需要在寒冷环境中仍能正常工作的电池。如今的锂电和钠电在极低温度下常常会掉电或完全失效，因为其中的化学过程会变慢。本研究探索了一种构建钠离子电池的新方法——使用专门设计的液态电解质——以便在低至−50 °C的温度下仍能可靠地存储和释放能量。

电池在严寒中的挑战

电池通过让带电的原子（称为离子）在两块固态电极之间通过液态电解质往返传输来储能。在钠离子电池中，钠离子必须穿过一层薄薄的表面膜并进入称为硬碳的碳基负极。在低温下，有两方面出问题：离子在液体中移动得更慢，而且它们在进入硬碳之前很难脱去包裹它们的溶剂分子。与此同时，称为固体电解质界面（SEI）的保护性表面膜在寒冷环境中往往变得更厚、阻抗更高。所有这些因素都使钠离子的迁移更困难，因此电池在最需要时能量输出大幅下降。

让离子更易通过的新型电解液混合物

研究人员通过重新设计电解液来解决这个问题，使钠离子不再需要在进入硬碳前完全脱去其溶剂外壳。他们混合了两种基于醚的溶剂：二乙二醇二甲醚（G2），它对钠离子有较强的亲合力并能支持快速的离子运动；以及2-甲基氧杂环戊烷（MO），一种极性较低、在很低温度下仍保持流动性的液体。在由此得到的“共插层电解液”中，钠离子主要与G2配位，而MO主要作为一种不结合的自由溶剂，帮助混合物在低至−50 °C时仍保持液态。计算机模拟和光谱测量显示，这种混合物形成了一种稳定结构，其中钠离子与G2一同以小簇的形式迁移。

让离子带着“衣服”进入碳层

新的电解液并不强制钠离子在电极表面脱去溶剂外壳，而是允许钠–G2簇直接穿透表面膜，进入硬碳内部的层间空间。这个过程称为溶剂共插层，它绕过了通常在低温下限制性能的缓慢“脱衣”步骤。显微和光谱测试表明，用该电解液形成的表面膜比传统体系更薄，并富含无机成分。这种组合在保护电极的同时仍允许离子快速通过。离子扩散和电阻测量证实，尤其在低温下，离子在碳内部及界面处的移动更快。

在−50 °C下仍有强劲表现

当团队在硬碳和新电解液组成的纽扣电池中进行测试时，发现电池在从室温降到−50 °C的范围内仍保持较高的容量和效率。在−50 °C时，硬碳电极仍能提供约80%的初始充电效率，并在200次充放电循环后保持超过90%的容量。超越小型电池，研究人员制作了容量约1.2安时的软包电池——类似消费电子中的扁平电池——这些完整的钠离子电池在室温下实现了163瓦时/千克的比能量，在−50 °C时为107瓦时/千克，并能在−50 °C的低温箱中持续为LED灯供电超过10小时。

这对未来寒冷地区电池意味着什么

对非专业读者来说，关键信息是：作者找到了一种使钠离子在进入电池碳电极时保留其有益溶剂包覆的方法。通过设计一种在低温下仍保持液态并能形成薄而对离子友好的表面膜的电解液，他们消除了低温性能的一个主要瓶颈。这一方法有望使钠离子电池——作为一种比锂离子更便宜的替代品——在冬季气候、高海拔地区及其他需要可靠、经济能量存储的恶劣环境中更具实用性。

引用: Li, M., Liu, Z., Zhao, Y. et al. Enhanced sodium storage in hard carbon via solvent co-intercalation electrolyte enabling Ah-level pouch cells at low temperatures. Nat Commun 17, 1478 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69237-y

关键词: 钠离子电池, 低温电池, 电解液设计, 硬碳负极, 能量存储