复旦大学高悦团队发表低温钠离子电池单分子多功能添加剂研究成果

一、研究背景

钠离子电池凭借资源、成本、安全优势，是大规模及低温储能的优选体系，但低温环境下存在三大核心痛点：

硬碳负极成膜会不可逆消耗活性钠离子，拉低首圈库伦效率、造成容量损失；

常规电解液低温下易冻结、黏度剧增，离子传输速率大幅下降；

低温下电解液溶剂化结构与界面反应复杂化，电池极化严重、容量快速衰减。

传统方案依靠补钠剂、共溶剂、稀释剂多种添加剂复配解决问题，却易引发组分相互干扰、工艺复杂、电化学兼容性变差等问题，因此研发单分子集成多功能的添加剂成为关键突破方向。

二、核心成果与分子筛选

团队提出单分子多功能集成设计思路，将补钠、抗冻、降黏三大功能整合至同一有机钠盐分子，并明确四大设计要求：可在电池常规电压窗口内分解释放钠离子、分解无固体残留、产物具备低温适配性、分子溶解性与电化学兼容性优异。

研究团队搭建有机钠盐候选分子库，结合密度泛函理论（DFT）计算、分子描述符、随机森林模型与帕累托多目标优化等机器学习手段，最终筛选出有机硼中心钠盐 NaB (C₂H₅)₄作为最优添加剂。

图1. 用于低温钠离子电池预钠化功能添加剂策略示意图

图2 | 通过化学信息学和机器学习发现功能性有机钠盐。

三、作用机制

实验证实该添加剂在 4.0 V 以下可发生氧化分解，遵循自由基裂解路径原位生成三类功能物质，全程无有害固体残留：

释放活性 Na⁺，充当钠补偿单元，弥补负极钠损耗；

生成 B (C₂H₅)₃，作为低凝固点共溶剂与阴离子受体，调控电解液溶剂化结构；

生成液化状态的 C₄H₁₀，作为稀释剂降低电解液整体黏度。

该分子并非传统单一功能添加剂，而是可在电池化成阶段原位转化为电解液功能组分的智能材料。

图3 | NaB(C₂H₅)₄的电化学行为与钠补偿机制。

图4 | B(C₂H₅)₃共溶剂行为及C₄H₁₀在电解液中的液化效应。

四、电解液性能提升

该添加剂显著优化电解液低温理化性质，且适配醚类、碳酸酯两类主流电解液体系，普适性较强：

低温黏度与电导率：-60 ℃环境下，电解液黏度从 59.1 mPa・s 降至 49.7 mPa・s，离子电导率达 0.61 mS/cm，为空白电解液的 2 倍，钠离子迁移能力同步提升；

凝固点改善：醚类电解液凝固点降至 - 85 ℃，碳酸酯电解液凝固点降至 - 75 ℃，彻底解决低温冻结问题。

五、电池电化学性能

研究团队在全电池与软包电池中完成性能验证，低温表现提升显著：

-30 ℃条件下：改性电池倍率性能优异，2 C 倍率下仍可输出 51.8 mAh/g 容量，空白电池基本无法工作；

-60 ℃极端低温下：软包电池首圈库伦效率从 64.8% 提升至 83.7%；循环 200 圈后容量保持率高达 90.2%；

安全性：低温循环过程中电池内部压力无持续累积，具备实际应用安全性。

图5 | NaB(C₂H₅)₄预钠化对凝固点降低及全电池性能的影响。

图6 | 采用NaB(C₂H₅)₄预钠化的硬碳||P2-Na₂/₃Ni₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂软包电池的电化学性能。

总结

该研究为低温钠离子电池电解液设计提供了一种简洁而高效的单分子解决方案，其学术意义与工程应用价值均十分突出。通过将机器学习预测与多目标优化相结合，研究团队成功实现了从分子设计到电化学验证的全链条闭环，证明了数据驱动方法在电池材料研发中的巨大潜力。四乙基硼酸钠的引入不仅显著提升了全电池的首次库仑效率，更在−60°C极端低温下实现了200周循环后90.2%的容量保持率，较基线电解液提升超过一倍。这一成果标志着钠离子电池在极地、高海拔或深空探测等低温应用场景中迈出了关键一步。

文章信息

英文标题：Single-Molecule Additive Integrating Na-Ion Reservoir, Cosolvent, and Diluent Functions for Low-Temperature Na-Ion Batteries

期刊：Angewandte Chemie International Edition，2026，e7967447

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.7967447

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