三元溶剂化鞘重构驱动可持续低温锂||Cl2 电池

为何耐寒电池至关重要

从极地科研站到高空无人机与未来电动飞机，许多技术都需要在远低于冰点的环境中持续工作的电池。现有的锂电池在这种严寒下表现不佳，容量下降且寿命缩短。本研究针对一种有前景但脆弱的体系——锂–氯电池，展示了如何通过巧妙重构围绕锂离子的液相环境，使这些电池在低至零下80摄氏度的条件下也能可靠运行。

锂–氯电池的潜力与问题

锂–氯电池具有吸引力，因为它们理论上可以用相对常见的元素储存大量能量。该体系将锂金属作为负极，孔状碳作为正极以承载氯；而以亚硫酰氯为基础的液相作为离子载体在两极之间传递电荷。理论上，低温会抑制自放电，这种体系在寒冷环境中应表现更佳。然而在实际应用中，电解液在低温或高电压下易发生分解，分解产物在正极表面形成脆弱、开裂的层和不规则沉积，阻挡锂离子通道，消耗活性物质，导致电池容量迅速衰减。

窥探锂离子周围的液相外壳

作者将失效归因于每个锂离子周围微观的局部环境。在标准配方中，锂主要被亚硫酰氯分子和氯铝酸根离子包围。这样拥挤的“溶剂化鞘”不仅增加了锂离子脱溶并进入电极的难度，还促使亚硫酰氯在正极发生不期望的反应。通过计算模拟和多种光谱手段，团队证明了这种以溶剂为主的鞘会导致离子迁移迟缓，并在电解液与孔状碳的界面产生杂乱的分解产物混合物。

驯服界面的三步策略

为了解决这一问题，研究人员引入了第三组分——三氟甲磺酸锂（LiOTf），其设计基于简单的分子描述子，如给电子能力和易氧化性。当其加入电解液后，OTf⁻阴离子对锂和氯铝酸物种具有较强的吸引力。这种吸引力将局部环境重排为富阴离子的鞘，从而把部分溶剂分子从锂周围推出。结果是锂离子更容易移动和“脱溶”，降低了电荷转移的能垒。与此同时，OTf⁻优先在正极发生分解，形成一层薄且分为两层的保护膜：内层为富含氟化锂的无机层，外层含有碳‑氟基团。与原电解液中形成的粗糙厚重膜相比，这种工程化涂层更平整、更薄且更均匀。

从脆弱薄膜到低温下的持久性能

先进成像与表面分析表明，添加该添加剂后，正极在长时间使用后仍然相对干净且覆盖均匀。保护层限制了过量溶剂分解，调控了氯化锂的生成与溶解位置，并保持界面在电学和离子传输上的开放性。电学测量证实，这可降低电阻并减轻随电池老化而上升的电压损失，尤其在低温下表现明显。因此，使用改良电解液的电池在零下40摄氏度、较高电流条件下循环超过1100次后仍能保持99.2%的容量与效率；即便在零下80摄氏度这样的苛刻条件下，仍能可靠工作100多个循环——而标准配方在这些条件下很快失效。

对未来储能的意义

简而言之，该研究表明，要实现耐寒且持久的锂–氯电池，关键在于控制围绕锂离子的微观液相鞘，使其在电解液与正极接触处自发构建出良好的保护膜。通过精心选择能重排这一鞘并在正极牺牲形成坚固涂层的添加剂，研究团队将一种脆弱、寿命短的电池转变为能够在严苛低温下耐久工作的体系。这一设计逻辑——通过工程化局部液相结构预设保护层——可推广到其他高能量电池化学体系，有助于在极端环境中打造更强大、更可靠的未来储能系统。

引用: Liu, Q., Ma, G., Wei, L. et al. Ternary solvation sheath reconfiguration drives sustainable cryogenic Li||Cl₂ batteries. Nat Commun 17, 3479 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70092-0

关键词: 锂–氯电池, 低温能量存储, 电解质工程, 界面设计, 溶剂化结构