不对称磺酰胺设计使钠离子软包电池在宽温域下实现高电压

为何更耐寒、更安全的电池很重要

从冬季的电动车到为风电和太阳能电场提供后备的电网电池，我们越来越依赖能够在全年安全工作的可充电电池。现有主流技术——锂离子电池，面临成本和资源的限制，因此科学家在探索成本更低的钠离子电池作为替代。然而，钠电池在极低温和高充电电压下表现欠佳，尤其是在实用的大规格软包电池中。本研究提出了一种新型电池内部液体（电解液），它能让钠离子电池在宽温域内保持运行，同时提升稳定性与安全性。

重新设计电池内部的液体

作者将注意力集中在溶解钠盐并在电极间传递离子的溶剂分子上。传统溶剂在寒冷时会结冰或变得黏稠，在高电压下也可能分解。团队设计了一种新的磺酰胺溶剂——N-乙基-N-甲基-三氟甲磺酰胺（EMTMSA），并故意引入不对称：一侧为较短的取代基，另一侧略长，从而在分子中形成一个小的“折弯”。这种几何扭曲阻止分子在冷却时规整堆积成晶体，使EMTMSA的熔点非常低，约为−86°C。同时，它在需要提升电池能量的高电压下仍保持稳定。

在严寒中保持离子可动

通过将EMTMSA与两种常见碳酸酯溶剂及一种钠盐混合，研究人员得到了一种在极低温仍为液态并具有导电性的电解液。核磁共振实验表明，该混合物在低温下的分子运动与旋转仍然活跃，而相比之下，标准碳酸酯混合物则会变得黏稠迟缓。基于EMTMSA的电解液促使钠离子与盐的阴离子形成紧密的离子对和小簇。这些结构削弱了离子与溶剂之间的束缚，使离子更容易脱去溶剂壳并迁入电极——这在电池低温时尤为关键。

电池两侧的界面更稳定

电池在大量充放电循环中的性能取决于液体与固体电极接触处自然形成的薄层。使用EMTMSA电解液，这些界面层变得薄且均匀，富含无机化合物如氟化钠。在负极硬碳上，这种稳定的膜可防止不期望的金属钠以绒状沉积，避免消耗活性物质并增加阻抗。在正极NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2上，基于EMTMSA的电解液形成致密的保护层，限制氧气逸出和金属溶解，从而避免形成厚且导电性差的“岩盐”表层，这种表层会阻碍离子传输。

真实尺寸电池的表现

关键是，团队不仅在微小实验室电池中测试了电解液，还在安培小时级的软包电池中进行了验证，这些电池采用厚且高负载的电极，类似于实用设备所需。使用EMTMSA电解液，这些钠离子软包电池在−60°C时还能保留约70%的室温容量，在−70°C时仍超过40%，而使用标准碳酸酯液的电池在如此低温几乎完全失效。在室温且提高截止电压至相对钠的4.15和4.2伏时，EMTMSA电池在1500次和1000次循环后分别保持了90.0%和81.6%的初始容量，优于传统配方。该新型液体在安全测试中也表现出抗点燃性并延缓热失控的起始。

这对未来钠电池意味着什么

对非专业读者而言，结论是：通过调整电池中溶剂分子的形状，可以显著影响电池在恶劣条件下的工作表现。通过在磺酰胺分子中引入一个简单的折弯，研究者创造出一种在极寒下仍能保持流动、耐高充电电压并在两极形成保护层的电解液，从而在宽温域内使钠离子软包电池更高效、寿命更长且更安全。这一方法使钠离子电池在大规模储能及其他对成本与鲁棒性有严格要求的应用中，更接近实际可用的目标。

引用: Cui, X., Li, Q., Chang, G. et al. Asymmetric sulfonamide design enabling high-voltage sodium-ion pouch cells in wide temperature. Nat Commun 17, 4378 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70592-z

关键词: 钠离子电池, 电解液设计, 低温电池, 电池安全, 软包电池