近日，西安交通大学薛伟江教授课题组在国际知名期刊Nature Communications上发表了题为《Asymmetric sulfonamide design enabling high-voltage sodium-ion pouch cells in wide temperature》的最新研究成果。该工作围绕电解液分子结构设计，提出了一种基于非对称结构调控的磺酰胺电解液分子——N-乙基-N-甲基三氟甲磺酰胺（EMTMSA）。通过在磺酰胺分子中引入非对称烷基取代基，打破分子在低温下的有序堆积，从而显著降低熔点，并在分子层面实现低温流动性与高电压稳定性的协同优化。同时，该分子继承类盐结构特征，诱导形成以接触离子对和聚集体为主的溶剂化结构，在电极界面优先形成富无机相、低阻抗的稳定界面，从而有效解决高电压与极端温度耦合条件下电池界面失稳的问题。论文第一作者为崔新科，通讯作者为薛伟江教授。

随着储能技术的发展，钠离子电池因资源丰富与成本优势成为锂离子电池的重要补充体系。然而，在实际应用中，钠离子电池在高电压（≥4.2 V）和极端低温（−60 °C及以下）条件下面临严重挑战。一方面，高电压会引发电解液剧烈氧化分解，导致正极界面不稳定及过渡金属溶出；另一方面，低温条件下溶剂分子取向受限、离子–偶极相互作用增强，使离子传输动力学显著下降。这些问题在高负载软包电池中尤为突出，严重制约其在实际复杂环境中的应用。

针对上述问题，研究团队从分子设计出发，提出通过“非对称结构调控”降低溶剂熔点并优化溶剂化结构的策略。所设计的EMTMSA分子由于引入甲基与乙基的不对称取代，在分子尺度上形成几何扭曲结构，显著破坏晶体堆积能力，使其熔点降低至−86 °C，从而在低温下仍保持液态并维持分子运动自由度。同时，该分子调控离子–偶极相互作用，促进形成富含接触离子对（CIP）与聚集体（AGG）的溶剂化结构，使阴离子更多参与第一溶剂化鞘，在电极表面优先分解形成富无机组分的界面层，从而降低界面阻抗并提升界面稳定性。

在实际电池性能方面，该电解液在Ah级软包电池中表现出优异性能。在4.15 V和4.2 V高截止电压下，电池分别在1500圈和1000圈循环后仍保持90.0%和81.6%的容量保持率，显著优于传统碳酸酯电解液体系。同时，在极端低温条件下，该体系仍可维持良好放电能力，在−60 °C和−70 °C下分别保持69.8%和42.3%的室温容量，并在−20 °C循环500圈后仍具备稳定容量保持。高温条件下，该电解液同样表现出优异稳定性，并显著延迟热失控触发温度，提高电池整体安全性。进一步的结构与界面表征表明，该体系能够在正负极表面构建更薄、更致密且富无机相的界面层，同时有效抑制气体生成和过渡金属溶解，从而实现长期稳定循环。

值得一提的是，薛伟江教授2020年首次提出并设计了新型氟磺酰胺电解质分子（Energy & Environmental Science, 2020, 13, 212–220），并将其运用到高比能金属锂电池（Nature Energy, 2021, 6, 495–505；Energy & Environmental Science, 2021, 14, 6030–6040；Advanced Materials, 2025, 38, e12236；ACS Nano, 2024, 18, 47, 32723；ACS Energy Letters, 2025, 10, 3610；Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, e11223）、高比能硅碳负极锂离子电池（Advanced Materials, 2025, 38, e15562）、钠离子电池（Advanced Materials, 2025, 37, 12, 2415611）等领域。这是氟磺酰胺类分子的第10篇文章。该研究从分子设计层面揭示了通过调控离子–偶极相互作用与溶剂化结构，实现高电压稳定性与低温动力学兼容的内在机制，系统展示了从分子设计、溶剂化结构调控到软包电池验证的完整研究路径，对推动钠离子电池在极端环境与高能量密度场景下的实际应用具有重要意义。

【图示说明】

图1. 非对称磺酰胺分子设计原理及低熔点机制示意图：通过在磺酰胺分子中引入甲基与乙基的不对称取代，形成几何扭曲结构，破坏分子在固态下的有序堆积能力，从而显著降低熔点至−86 °C；同时对比对称分子（DMTMSA、DETMSA）的分子间相互作用与晶体堆积差异，结合DSC与分子动力学模拟结果，揭示非对称结构在削弱分子间作用力与提升低温扩散能力方面的关键作用。

图2. 电解液溶剂化结构调控及离子–偶极相互作用表征：通过Raman光谱分峰定量分析溶剂分离离子对（SSIP）、接触离子对（CIP）及聚集体（AGG）的比例分布，表明EMTMSA体系中CIP/AGG占主导；结合17O、11H和19F核磁共振（NMR）揭示Na+优先与PC及EMTMSA协同配位的溶剂化结构，并通过变温NMR（VT-NMR）对比不同电解液在低温下分子运动性与黏度变化，说明EMTMSA能够在低温下维持较高分子自由度与较弱离子–偶极相互作用。

图3. 高电压条件下的电化学性能及界面动力学分析：展示Ah级NFM||HC软包电池在4.15 V与4.2 V高截止电压下的长循环性能，分别实现1500圈90.0%与1000圈81.6%的容量保持率；对比碳酸酯体系在相同条件下的快速衰减行为；同时结合充放电曲线、库伦效率、倍率性能以及GITT与EIS/DRT分析，揭示该电解液在高电压下具备更低界面阻抗、更稳定电荷转移动力学及更优反应可逆性。

图4. 宽温域电化学性能及软包电池实际表现：系统展示电池在−20 °C、−40 °C、−60 °C及−70 °C下的放电能力及容量保持情况，其中在−60 °C与−70 °C下分别保持69.8%与42.3%的室温容量；同时对比碳酸酯电解液在低温下快速失效的行为，并通过低温循环（如−20 °C循环500圈）验证其长期稳定性；进一步通过ARC测试对比热行为，表明该电解液可显著提高热失控起始温度（T1）与触发温度（T2），从而提升电池整体热安全性。

图5. 负极界面（SEI）结构与稳定性分析：通过SEM与HRTEM观察循环后硬碳负极表面形貌，显示EMTMSA体系中表面更加平整且无明显金属钠沉积；进一步通过高分辨TEM测得SEI厚度仅为约2–4 nm，显著薄于碳酸酯体系；结合XPS与TOF-SIMS深度剖析，揭示其SEI富含NaF等无机组分且分布均匀，同时通过SEI溶解测试表明该界面具有更低溶解性与更高稳定性，从而有效抑制副反应与界面阻抗增长。

图6. 正极界面（CEI）结构及热稳定性分析：通过HRTEM与FFT分析揭示正极表面岩盐相重构程度，表明EMTMSA体系仅形成薄且局部的岩盐层，而碳酸酯体系形成厚且连续的重构层；结合TOF-SIMS与XPS结果显示CEI中无机组分（如NaF与含硫物种）占比更高且分布更均匀，有效抑制过渡金属溶解。

【论文信息】

Asymmetric sulfonamide design enabling high-voltage sodium-ion pouch cells in wide temperature; Nature Communications;

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70592-z