近日，国际能源材料领域顶级期刊《Energy & Environmental Science》（EES，影响因子30.5）刊发了材料学院院能源材料系青年教师白云博士为第一作者的研究论文“Solvent Molecular Branching Drives Synergistic Solvation and Antifreezing for Ultra-Low-Temperature Anode-Free Sodium Metal Batteries（溶剂分子支化驱动协同溶剂化和防冻作用，适用于超低温无阳极钠金属电池）”。该研究由白云博士联合上海理工大学能源材料科学研究院窦世学院士、刘化鹍院士、吴超教授团队，以及宁波东方理工大学彭健教授等合作者共同完成，原创提出溶剂分子支链化协同溶剂化策略，成功研发出可在-80℃极端低温稳定工作的新型醚基电解液，攻克了无负极钠金属电池在极寒工况下电解液凝固、离子输运受阻、金属钠不可逆损耗等系列卡脖子难题。学校作为论文完成单位之一，这也是学院在新能源材料领域取得的又一标志性成果。
图1 |文章信息
无负极钠金属电池（AFSMBs）因钠资源丰富、无过量金属负极、系统能量密度突出，被视为下一代低成本高安全储能体系的核心候选。然而在零下低温环境中，传统电解液极易凝固、离子电导率断崖式下跌，金属钠沉积剥离可逆性大幅衰减，严重制约其在极寒场景的实际应用。现有电解液设计思路始终存在“高解离强溶剂低温易冻结、低脱溶弱溶剂离子传导差”的固有矛盾，工作温度下限普遍无法突破-60℃。
针对上述关键科学瓶颈，本研究创新性采用双弱配位支链醚溶剂复配思路。研究团队对线性乙二醇醚母体进行甲基支链改性，得到DMP、DMM两种弱配位溶剂；两种溶剂复配后产生独特协同溶剂化效应，依靠分子构型熵-焓共驱动大幅提升Na⁺溶剂化热力学，实现“弱溶剂复配等效强溶剂解离”，同时甲基支链带来的空间位阻效应赋予电解液超强抗冻能力(图2a)。
研究团队通过密度泛函理论计算、分子动力学模拟、原位拉曼光谱、飞行时间二次离子质谱等多尺度手段层层剖析，系统揭示了微观机理。混合电解液体系大幅提升钠离子第一溶剂鞘构型多样性，使全温度区间溶剂化自由能更负，大幅促进钠盐解离。-80℃低温下电解液仍保持完全液态无盐析出，离子电导率远超单组分电解液与传统“强+弱”复配体系。原位表征证实，该电解液可诱导电极表面生成致密富NaF无机固态界面膜，从根源抑制钠枝晶生长与不可逆“死钠”累积。
电化学测试结果显示该电解液体系综合性能实现重大突破：(1) 在-60℃超低温下，Na||Al半电池稳定循环1000圈，金属钠沉积剥离平均库仑效率高达99.88%，单溶剂和传统“强+弱”体系均失效(图2d)；(2) 基于高负载磷酸钒钠（NVP）正极的无负极纽扣全电池-40℃循环200圈容量保持率80.86%；-60℃循环100圈容量保持96.45% (图2b, e)；(3) 自主组装安时级无负极软包电池，-40℃稳定循环百圈容量几乎无衰减，系统能量密度达123.07 Wh kg⁻¹，处于当前低温钠电池领域领先水平(图2c)。
本工作跳出传统电解液二元对立设计框架，建立分子支化调控协同溶剂化通用分子设计准则。这一策略不仅适用于超低温钠金属电池电解液开发，同时为锂金属电池、宽温域储能电解液、固态电解质界面调控提供普适理论指导，具备极高基础科研价值与工程转化前景。
我院能源材料系青年教师白云博士作为论文第一作者，与上海理工大学能源材料科学研究院吴超教授、窦世学院士、刘化鹍院士团队，以及宁波东方理工大学彭健教授、东北大学孙挺教授、温州大学肖遥教授、澳大利亚伍伦贡大学庞维康教授等合作者紧密协作，共同完成了本项研究。研究团队采用密度泛函理论计算、分子动力学模拟、原位拉曼光谱、飞行时间二次离子质谱等多尺度计算与表征手段，系统揭示了支链双醚溶剂复配体系的协同溶剂化机制，阐明了溶剂分子支链化调控溶剂化自由能、低温抗冻性能及界面成膜的内在关联，深刻回答了“弱+弱何以等效强溶剂化”这一核心科学问题，为超低温无负极钠金属电池电解液的分子设计提供了关键理论支撑。
图2 | 溶剂分子支链化策略与抗冻性能助力超低温无阳极钠金属电池。(a) 线性醚DME/DIG甲基化后得到支链DMP/DMM分子结构及关键物性参数；（b）-40℃无负极纽扣电池长循环性能曲线；（c）-40℃软包性能图；(d) -60℃半电池长循环性能图； (e) -60℃无负极纽扣电池长循环性能图。
论文标题：Solvent molecular branching drives synergistic solvation and antifreezing for ultra-low-temperature anode-free sodium metal batteries
期刊：Energy & Environmental Science（EES，IF=30.5）