这项突破性技术，为下一代高能量密度、高安全性的储能技术提供了新的解决思路。
传统电解液的发展瓶颈
锂金属电池，因其极高的理论能量密度，被誉为下一代储能技术的“圣杯”。然而，其商业化道路一直步履维艰。核心痛点之一，就在于电解液。
目前商用的碳酸酯类电解液存在三大致命缺陷：
（1）易燃易爆：安全性差，是电动汽车热失控的主要诱因之一。
（2）电化学窗口窄（~4.3 V）：无法匹配高电压正极材料，限制了能量密度提升。
（3）工作温度范围窄（-20°C ~ +50°C）：低温下离子电导率骤降，高温下副反应加剧，导致电池在极端环境下“罢工”。
此前，科学家们尝试用具有阻燃性的磷酸酯（如TEP）作为溶剂，并通过高浓度电解液策略来抑制其与锂金属的副反应。但高浓度带来高粘度、低离子电导率和超高成本，尤其在低温和高倍率下性能恶化。后来发展的局部高浓度电解液策略，通过加入全氟醚等“惰性稀释剂”来改善物化性质，但这些稀释剂价格昂贵、密度高、环境不友好，且与锂离子几乎不配位，限制了锂离子的传输动力学。
二氯烷烃—被低估的“全能选手”
研究团队独辟蹊径，将目光投向了结构简单、成本低廉的对称二氯烷烃家族（分子式为Cl-(CH2)n-Cl，记为Cn-2Cl）。
他们提出理想稀释剂的双重标准：
基础物性优异
低凝固点、高沸点、低粘度、阻燃、低成本
弱配位且电化学惰性
既能部分参与锂离子溶剂化结构改善传输，又因其惰性而优先诱导阴离子分解，形成稳定界面。
二氯烷烃分子中的氯原子，其电负性可以调控电子云密度，实现与锂离子的弱配位；同时，氯元素本身就赋予了材料阻燃特性。理论计算和实验筛选发现，随着碳链长度增加，二氯烷烃的液态温度范围显著拓宽。其中，碳链长度为3的1,3-二氯丙烷（C3-2Cl）脱颖而出，其液态范围达-99°C至+120°C，且市场价格远低于全氟醚稀释剂。
图1 面向宽温锂金属电池的理想电解质稀释剂设计。
a 使用C-2Cl稀释剂的阻燃电解质中，电解质的溶剂化结构、快速锂离子传输/脱溶剂化、电极界面化学以及稀释剂性质的示意图。
b 碳链长度递增的C-2Cl稀释剂的分子结构。
c 不同稀释剂的沸点和熔点。
d 不同稀释剂的密度和市场售价。
神奇的“六元螯合结构”是性能关键
为何偏偏是C3-2Cl？研究团队通过密度泛函理论计算、分子动力学模拟和多种光谱技术，深入揭示了微观溶剂化结构的奥秘。
研究发现，碳链长度≤3的短链二氯烷烃，由于两个氯原子距离适中，倾向于与一个锂离子同步配位，形成稳定的环状螯合结构。其中，C3-2Cl形成的六元螯合环结构最为稳定。
这种独特的结构带来了两大优势：
极高的电化学惰性
优化锂离子行为
相比之下，碳链更长的二氯烷烃（C4、C5）易形成不稳定的配位结构，易在负极表面发生还原分解，消耗活性锂和电解液，导致电池性能迅速衰退。
图2 含不同C-2Cl稀释剂的电解质溶剂化结构分析。
a 不同C-2Cl稀释剂的静电势分布及其与Li⁺的配位结构。
b 含不同C-2Cl稀释剂的电解质中Li-Cl配位的径向分布函数曲线。
c 通过分子动力学模拟得到的不同电解质中不同C-2Cl结构的百分比。
d 通过FTIR得到的不同电解质中C-Cl特征峰的位移量Δδ。
e 通过⁷Li NMR得到的不同电解质中Li⁺特征峰的位移量Δδ。
性能“全能王”：
兼顾安全、宽温、长寿命
基于C3-2Cl优化后的阻燃电解液（LiFSI-TEP/C3-2Cl），在各项测试中交出了近乎完美的答卷：
卓越的安全性与阻燃性
电解液浸泡的棉条遇明火无法被点燃，而商用电解液则剧烈燃烧。加速量热仪测试表明，采用该电解液的软包电池，其热失控起始温度和触发温度均远高于商用电解液电池，且产气量极少，在针刺、过充等极端滥用条件下也无明显热失控。
超宽的极端温度适应性
在-60°C的超低温下，电解液仍保持液态，离子电导率显著高于其他对比体系。软包电池在-60°C下仍能放出25°C室温下50% 的容量。在+60°C高温下循环，电池依然表现稳定。
高压下的长循环寿命
在4.5 V高截止电压下，Li||NCM523扣式电池循环200次后，容量保持率高达81.7%。在实际应用条件下（采用50μm薄锂负极、高面容量NCM83正极、贫电解液），软包电池在100次循环后容量保持率仍达94.1%。
优异的界面工程
该电解液能在正负两极表面诱导形成一层薄而均匀、富含无机物的界面膜。负极侧：形成以LiF为主的坚固SEI膜，厚度仅约6.2 nm（传统体系约15.6 nm），有效抑制锂枝晶生长，实现致密、平整的锂沉积。正极侧：形成约4 nm厚的稳定CEI膜，保护高镍正极材料结构，抑制过渡金属溶出和相变。
图3 不同C-2Cl稀释剂电解液中锂金属的相容性。
a 不同电解质中Li||Cu电池的初始库伦效率。
b 不同电解质中Li||Cu电池的初始极化。
c 不同电解质中Li||Cu电池在0.5 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下的循环性能，及d对应的第10至60次循环的平均库伦效率。
e 不同电解质中Li||Li对称电池的长期锂沉积/剥离性能。
f 通过DFT计算得到的不同Li-C-2Cl配位络合物的HOMO/LUMO能级。g 扫描速率为0.1 mV s⁻¹时，不同电解质中Li||Cu电池的循环伏安曲线。
产业化前景：
通往下一代高能安全电池的钥匙
这项研究的价值不仅在于卓越的实验室数据，更在于其巨大的产业化潜力：
成本优势
核心稀释剂C3-2Cl是廉价易得的化工产品，远低于全氟醚类稀释剂，有利于大规模生产。
材料普适性
该电解液体系专注于解决锂金属负极的界面问题，与当前正在发展的超高镍正极、硅碳负极等新一代材料兼容性高。
应用场景广泛
其宽温特性特别适合对温度适应性要求极高的场景，如电动汽车（尤其是高寒地区）、航空航天、深海探测、极地科考等领域的储能系统。
安全边际提升
本质阻燃特性从源头上提升了电池系统的安全底线，符合日益严格的安全法规要求。
图4 不同电解质中锂金属电极的锂沉积形貌和界面化学。在不同电解质中，以0.5 mA cm⁻²电流密度和3 mAh cm⁻²面积容量在铜箔上沉积锂的表面形貌的俯视SEM图像：
a LiFSI-TEP，
b LiFSI-TEP/C3-2Cl，
c LiFSI-TEP/C4-2Cl。
插图为对应直径为1.6 cm的镀锂铜箔的光学照片。在不同电解质中，以0.5 mA cm⁻²电流密度和3 mAh cm⁻²面积容量在铜箔上沉积锂的截面SEM图像：
d LiFSI-TEP，
e LiFSI-TEP/C3-2Cl。
f 不同电解质中循环50次后锂金属电极表面的TOF-SIMS深度剖析以及F⁻, C₂HO⁻, LiCl⁻物种的分布。
通过冷冻透射电镜表征在锂金属表面形成的SEI层的形貌和厚度：
g, h LiFSI-TEP/C3-2Cl，i LiFSI-TEP。
结 语
该研究不仅仅是一种新型电解液的发明，更是对电解液溶剂化基础科学的一次深刻洞察。它证明了通过巧妙的分子设计，完全可以打破传统性能指标之间的“跷跷板”效应，同时实现高安全、宽温域、长寿命和低成本。
尽管将锂金属电池推向大规模商用还需解决诸如锂负极膨胀、产能工艺等更多工程挑战，但此项工作在最关键的材料基础——电解液上取得的突破，无疑为下一代电池技术的发展注入了强心剂，让我们看到了高能量密度储能系统安全、可靠地服务于全场景应用的曙光。未来，搭载这种“不畏寒暑”电池的电动汽车，或许将真正畅行于地球的每一个角落。
图5 不同电解质的物理化学性质。
a 浸泡在不同电解质中的可燃棉条的燃烧测试。
b 不同电解质的粘度。
c 不同电解质在以10 °C min⁻¹降温速率下的DSC曲线。
d 不同电解质在-60至+60 °C宽温度范围内的离子电导率。
e 不同电解质的Li⁺脱溶剂化活化能测试。
图6 使用不同电解质的高压锂金属电池的电化学性能。
a 使用不同电解质的Li||NCM523扣式电池在2.8-4.5 V电压范围、0.5C充放电、25 °C条件下的循环性能。
b 使用不同电解质的Li||NCM523扣式电池的倍率性能。
c 使用不同电解质的Li||NCM83软包电池在2.8-4.3 V电压范围、0.1C充电/0.2C放电、25 °C条件下的循环性能。插图为软包电池的光学照片。
d 使用不同电解质的Li||NCM83软包电池在不同温度下的放电容量。
e 使用不同电解质及不同电解液量的Li||NCM83软包电池的ARC测试。
参考文献：Wang, Z., Tu, H., Ma, X. et al. Flame-retardant electrolytes with electrochemically-inert and weakly coordinating dichloroalkane diluents for practical lithium metal batteries. Nat. Commun. 16, 10188 (2025).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65138-8.
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