TL;DRNature Chemistry报道了一种溶剂桥接电解液Solvent-bridged electrolyte设计以环醚作为桥接溶剂同时配位 Li⁺ 与 PF₆⁻、以线醚调控液态温度范围在不牺牲离子电导率的前提下实现 LiF-rich SEI 的构建。该电解液使微米级硅负极在4C 快充条件下稳定循环同时在−55°C极端低温下保持可运行状态。这一策略从溶剂化结构层面解耦了LiF-rich SEI 需要阴离子参与 vs. 阴离子进入溶剂化鞘层降低离子迁移率这一长期矛盾为高能量密度电池在极端工况下的应用提供了新范式。一、问题意识快充-低温为什么是 trade-off1.1 硅负极的永恒困境硅的理论比容量高达 4200 mAh g⁻¹Li₂₂Si₅ 相是石墨负极372 mAh g⁻¹的 10 倍以上。然而硅在嵌锂过程中体积膨胀可达 300%–400% [1][2]反复的膨胀-收缩导致颗粒粉化机械应力使硅颗粒碎裂电接触丧失SEI 反复破裂-再生消耗大量电解液和活性锂库仑效率持续下降 [3]电极肿胀整体结构失效集流体脱离。在这些挑战中SEI 的化学组成直接决定了硅负极能否在快充和低温条件下存活。1.2 LiF-rich SEI好但贵大量研究表明 [4][5]富含 LiF 的 SEI 具有以下优势高剪切模量~64 GPa可承受硅的体积变化而不破裂宽带隙~10 eV电子绝缘性好抑制电解液持续分解高界面能与 LiₓSi 合金结合弱但稳定不易剥离。因此构建 LiF-rich SEI 是硅负极长寿命的黄金法则。1.3 矛盾的核心阴离子进入溶剂化鞘层的代价问题在于怎样让 LiF 形成又不牺牲离子电导率主流策略是让含氟阴离子FSI⁻、PF₆⁻、TFSI⁻ 等进入 Li⁺ 的第一溶剂化鞘层形成 CIP接触离子对或 AGG聚集体为主的溶剂化结构 [6]。阴离子在鞘层内优先还原分解生成 LiF。但这条路径有一个内禀矛盾需求手段代价LiF-rich SEI阴离子进入 Li⁺ 溶剂化鞘层鞘层中阴离子增多→离子对/聚集体占比升高→离子电导率下降高倍率快充 / 低温运行高离子电导率、低脱溶剂化能垒需要溶剂分子主导鞘层→阴离子还原减少→LiF 不足这就是快充-低温与 LiF-rich SEI 之间的trade-off[7]。高浓电解液HCE和局部高浓电解液LHCE虽然有效但高粘度带来的低离子电导率在低温下成为致命短板 [8]。二、核心创新本质环醚桥接 线醚调温2.1 溶剂桥接一石二鸟的配位设计Chen 等人的核心思路是不让阴离子硬挤进 Li⁺ 的溶剂化鞘层而是让溶剂分子同时桥接Li⁺ 和阴离子。具体而言该电解液体系包含两个关键溶剂组分1桥接环醚Bridging cyclic ether环醚溶剂如 1,3-二氧六环类或四氢吡喃类结构具有独特的配位几何——其氧原子的孤对电子可以同时与 Li⁺ 配位而分子的立体构型又能与 PF₆⁻ 产生弱的次级相互作用。这种桥接效果使得Li⁺ 被溶剂分子有效溶剂化维持高离子迁移率PF₆⁻ 虽然不直接进入第一溶剂化鞘层但被拉近到 Li⁺ 附近在电极表面优先还原生成 LiF-rich SEI实现了LiF 形成能力与离子电导率的解耦。2结构线醚Structural linear ether线醚组分的核心功能是调控电解液的液态温度范围降低电解液凝固点至 −60°C 以下维持低粘度确保低温下的离子传输动力学与环醚协同优化整体溶剂化结构的温度适应性。2.2 溶剂化结构的本质差异与传统策略对比策略溶剂化结构特征LiF 来源离子电导率高浓电解液 (HCE)AGG 主导阴离子充斥鞘层阴离子还原低高粘度LHCE类似 HCE稀释剂降低粘度阴离子还原中等FEC 添加剂少量 FEC 在 SEI 中原位分解FEC 还原较高但 LiF 层有限溶剂桥接电解液SSIP/CIP 平衡阴离子不进入主鞘层近距阴离子还原高这一设计的精妙之处在于它在化学热力学阴离子还原生成 LiF 的趋势和传输动力学溶剂化 Li⁺ 的高迁移率之间找到了一个新的平衡点。2.3 为什么是环醚线醚的组合环醚和线醚在电池电解液中并非新概念。近年来醚基溶剂在锂金属电池 [9]、低温电池 [10][11] 中的应用已被广泛研究。但本工作的创新点在于分工明确环醚负责桥接——利用其配位几何同时与阳离子和阴离子相互作用线醚负责调温——利用其低凝固点和低粘度扩展液态范围。这种各司其职的双溶剂策略比单一溶剂或简单混合溶剂的设计更具系统性。三、跨体系触类旁通与其他快充/低温电解液策略的横向对比3.1 FEC 添加剂策略FEC氟代碳酸亚乙酯是硅负极电解液中应用最广泛的成膜添加剂 [4][12]。FEC 还原后生成聚偏二碳酸乙烯酯poly-VC和高模量 LiF增强 SEI 稳定性。优势工艺兼容性好少量添加5–10 vol%即可显著改善局限FEC 消耗快长期循环后耗尽高 C 率下 LiF 层厚度不足以抑制锂沉积低温下 FEC 基 SEI 的界面阻抗急剧增大 [13]。与溶剂桥接的对比FEC 策略是加料式补 LiF而溶剂桥接是结构式让 LiF 在原位持续生成同时不牺牲体相传输。3.2 高浓/局部高浓电解液HCE/LHCEHCE 通过高盐浓度3M使 AGG 成为主导溶剂化结构阴离子还原生成 LiF-rich SEI [6][8]。LHCE 则引入惰性稀释剂如 HFE降低粘度 [14]。优势SEI 质量高适用于锂金属负极局限HCE 粘度高低温下电导率急剧下降LHCE 的稀释剂可能干扰界面反应 [15]成本高。Park 等人 [15] 系统研究了 LHCE 中稀释剂对界面反应的影响发现长链稀释剂会阻碍理想的界面反应限制了快充性能。与溶剂桥接的对比HCE/LHCE 通过量高浓度解决问题溶剂桥接通过质溶剂化结构设计解决问题。后者在成本和低温性能上具有潜在优势。3.3 弱溶剂化电解液WSE弱溶剂化电解液是近年兴起的新策略 [16][17]。选用与 Li⁺ 结合能低的溶剂如 THF、2-MeTHF、THP 等降低脱溶剂化能垒同时促进阴离子主导的 SEI 形成。Wang 等人 [10] 提出了基于 2-甲基四氢呋喃2MT, 凝固点 −136°C的弱溶剂化醚基电解液在 −60°C 下仍可提供可靠功率输出。Peng 等人 [18] 设计了 FEC/MTFA 弱溶剂化电解液在 −30°C 下实现 ~2100 mAh g⁻¹ 的硅负极可逆容量。与溶剂桥接的对比WSE 策略侧重减弱溶剂-Li⁺ 相互作用来促进阴离子还原溶剂桥接策略则更进一步——不仅减弱溶剂-Li⁺ 作用还通过环醚的桥接效应让阴离子在外围参与 SEI 构建而非嵌入鞘层。3.4 氟化溶剂策略全氟化电解液策略通过引入六氟苯HFB等氟化组分 [19]或含氟醚类溶剂 [20]构建高 LiF 比例的 SEI/EEI。Dong 等人 [19] 报道了 HFB/FEC/TFSI 体系在 −50°C 至 110°C 的 160°C 宽温域内运行。与溶剂桥接的对比氟化溶剂策略侧重于通过化学组分提供 F 源而溶剂桥接策略侧重于通过溶剂化结构的空间设计实现 LiF 的可控生成。两者可互补。3.5 界面催化策略Nature Energy 报道的 MoS₂₋ₓ 硫空位催化策略 [21] 通过在界面引入催化中心促进阴离子优先还原并引导 LiF 纳米晶化实现超快充电。这是一种固态界面工程路径。与溶剂桥接的对比前者从电极侧入手改性电极表面后者从电解液侧入手调控溶剂化结构两者的目标一致高效 LiF-rich SEI但出发点不同。3.6 策略对比总结策略LiF 来源离子电导率低温性能快充适配成本工艺兼容性FEC 添加剂FEC 分解高中中低高HCE/LHCE阴离子还原低-中低-中中-高高中弱溶剂化电解液阴离子还原高高高中中氟化溶剂氟化组分分解中高高高中界面催化界面阴离子还原高中极高高低溶剂桥接近距阴离子还原高极高极高中中-高四、工程落地成熟度评估4.1 硅负极量产现状目前硅碳复合负极Si/C、SiOₓ/C已在消费电子和部分动力电池中实现商业化应用。主要形态包括SiOₓ-C 复合x ≈ 1比容量 ~1500–1800 mAh g⁻¹体积膨胀相对可控纳米硅-石墨复合比容量 ~600–800 mAh g⁻¹用于高能量密度动力电池纯硅负极仍在研发阶段面临首次效率和循环寿命挑战 [2][3]。本工作中使用的是微米级硅负极这对电解液的 SEI 稳定能力提出了更高要求。4.2 高寒 EV 应用场景中国北方如黑龙江、内蒙古、北欧、加拿大、俄罗斯等地区冬季气温可低至 −30°C 至 −40°C。现有商用锂离子电池在 −20°C 以下容量保持率通常 50%快充能力几乎丧失 [22]。如果溶剂桥接电解液能在软包电池级别复现 −55°C 的运行能力将为以下场景带来变革极寒地区 EV 冬季快充无需预热即可 4C 充电高海拔/极地科考设备极端低温下的持续供电军事/航天应用−40°C 以下的可靠能源。4.3 成熟度评估维度现状挑战扣式电池验证✅ 4C 快充、−55°C 运行需同行复现软包电池验证⚠️ 原文未详述放大效应、电解液量/注液量优化硅负极兼容性✅ 微米级硅纯硅 vs. SiOₓ-C 的差异需验证高电压正极兼容⚠️ 醚类溶剂氧化稳定性有限需搭配高电压正极或界面稳定策略量产成本⚠️ LiPF₆ 醚类溶剂体系成本适中环醚/线醚的纯度要求和供应链安全性⚠️ 醚类溶剂闪点较低需评估热稳定性和可燃性总体来看该工作处于TRL 3-4实验室验证到原型验证阶段距离大规模量产TRL 7仍有 3–5 年的工程化开发周期。五、关键数据与性能总结性能指标数据硅负极类型微米级硅快充倍率4C稳定循环最低运行温度−55°C电解液盐源LiPF₆溶剂体系环醚桥接 线醚调温核心创新溶剂化结构层面解耦 LiF 形成与离子电导率锂沉积抑制SEI 在高沉积极化条件下维持稳定性六、FAQQ1溶剂桥接电解液与传统醚基电解液如 DOL/DME 体系有什么本质区别A传统 DOL/DME 体系主要用于锂硫电池和锂金属电池其溶剂化结构以溶剂分子主导SSIP 为主SEI 以有机组分为主。溶剂桥接电解液虽然也使用醚类溶剂但其设计核心是环醚的桥接功能——同时与 Li⁺ 和 PF₆⁻ 配位在不增加鞘层内阴离子占比的前提下促进 LiF 生成。这是一种结构性创新而非简单的溶剂替换。Q2−55°C 的运行能力在实际软包电池中能否实现A扣式电池与软包电池在电解液量、电极厚度、热管理等方面存在显著差异。原文的 −55°C 数据来源于扣式电池测试。软包电池中电解液/电极比E/C ratio更低、传热路径更长可能导致实际可用温度范围缩窄。但线醚组分对液态范围的扩展为该策略在软包电池中的适配提供了有利基础后续需验证。Q3醚类溶剂的氧化稳定性能否匹配高电压正极如 NCM811、LCOA这是醚基电解液面临的共性挑战。常规醚类溶剂如 THF、DME的氧化稳定性通常 4.0 Vvs. Li/Li⁺难以匹配 4.3 V 的高电压正极。可能的解决路径包括(1) 使用氟化环醚降低 HOMO 能级 [9](2) 搭配 CEI 成膜添加剂(3) 采用正极表面包覆工艺。原文中未详细讨论高电压正极的兼容性这将是后续工程化需要重点解决的问题。Q4溶剂桥接策略能否推广到其他负极体系如石墨、锂金属A从原理上看溶剂桥接的概念具有普适性——任何需要 LiF-rich SEI 但又要求高离子电导率的体系都可受益。对于石墨负极需要解决醚类溶剂的共嵌入问题已有研究表明 2MT 等位阻醚可避免共嵌入 [17]。对于锂金属负极该策略与 WSE 思路高度契合有望抑制枝晶生长。但具体效果需要实验验证。Q5LiPF₆ 作为盐源在极端低温下是否会析出或分解ALiPF₆ 在传统碳酸酯电解液中的低温表现受限于溶剂凝固而非盐本身的析出。在醚类溶剂体系中LiPF₆ 的溶解度和稳定性取决于具体溶剂组合。溶剂桥接体系中环醚和线醚的协同作用将液态范围扩展至 −55°C 以下LiPF₆ 在此温度范围内应能维持溶解态。但长期存储稳定性和高温下的 PF₆⁻ 水解问题仍需关注。Q6这项工作的可重复性和同行验证情况如何A该论文于 2026 年 7 月 28 日在线发表截至本文撰写时2026 年 8 月 2 日尚未有独立团队的重复实验报道。鉴于 Nature Chemistry 的审稿严格性数据可信度较高但大规模同行验证仍需时间。七、参考文献[1] Gazi Farhan Ishraque Toki, M. Khalid Hossain, Waheed Ur Rehman, Rana Zafar Abbas Manj, Li Wang, Jianping Yang; Recent progress and challenges in silicon-based anode materials for lithium-ion batteries.Ind. Chem. Mater.2024; 2 (2): 226–269.[2] Kondracki Ł, Niemelä JP, Baster D, et al. Synergy of Artificial SEI and Electrolyte Additive for Improved Performance of Silicon Electrodes in Li-Ion Batteries.ACS Applied Energy Materials, 2024, 7(20): 9336-9345.[3] Köbbing L, Latz A, Horstmann B. Voltage Hysteresis of Silicon Nanoparticles: Chemo-Mechanical Particle-SEI Model.Advanced Functional Materials, 2024, 34: 2308818.[4] Kim TH, et al. Enhancement of Quick-Charge Performance by Fluoroethylene Carbonate additive from the Mitigation of Electrode Fatigue During NormalC-rate Cycling.Journal of Electrochemical Science and Technology, 2023, 14(4): 369-376.[5] Kai Cheng, Shuibin Tu, Bao Zhang, Wenyu Wang, Xiaohong Wang, Yucheng Tan, Xiaoxue Chen, Chunhao Li, Chenhui Li, Li Wang, Yongming Sun; Material–electrolyte interfacial interaction enabling the formation of an inorganic-rich solid electrolyte interphase for fast-charging Si-based lithium-ion batteries.Energy Environ. Sci.2024; 17 (7): 2631–2641.[6] Li X, Chen Z, Liu X, et al. Efficient Lithium Transport and Reversible Lithium Plating in Silicon Anodes: Synergistic Design of Porous Structure and LiF-Rich SEI for Fast Charging.Advanced Functional Materials, 2024, 34: 2401686.[7] Zhenxin Huang, Zichun Xiao, Ruoshan Jin, Zhen Li, Chengyong Shu, Renyi Shi, Xiaowei Wang, Zexun Tang, Wei Tang, Yuping Wu; A comprehensive review on liquid electrolyte design for low-temperature lithium/sodium metal batteries.Energy Environ. Sci.2024; 17 (15): 5365–5386.[8] Ober S, Manthiram A. Design of Localized High Concentration Electrolytes for Fast-Charging Lithium-Ion Batteries.Small, 2024, 20(47): 2405731.[9] Xiao Zhu, Xiaoli Dong; Insights into solvent molecule design for advanced electrolytes in lithium metal batteries.EES Batteries2025; 1 (6): 1371–1397.[10] Z. Wang, X. Gu, J. Zhu, C. Zhong, S. Xu, S. Weng, B. Liu, Z. Wang, Y. Li, T. Cheng, X. Wang,Angew. Chem. Int. Ed.. 2026, 65, e21171.[11] Wang Q, Cai Z, Zhu YH, et al. Hierarchical Solvation Chemistry via Ether–Ester–Cosolvent Synergy Enables High-Performance Lithium-Metal Batteries at a Low Temperature.Angewandte Chemie International Edition. 65, no. 14 (2026): e25991[12] Peng C, Yang X, Tang W, et al. Fluorinated solvent coupled anions-derived hybrid interphase enabled highly reversible and cryogenic silicon anode.Journal of Colloid and Interface Science, 2025, 699: 138146.[13] Sattajit Barua, Rownak J. Mou, Koffi P. C. Yao. Aging-driven in situ polymerization of FEC additive boosts the calendar-life of silicon anodes via surface passivation enhancement. 2025, arXiv:2512.01084[14] Zhang Y, Wu B, Bi J, et al. Facilitating prelithiation of silicon carbon anode by localized high-concentration electrolyte for high-rate and long-cycle lithium storage.Carbon Energy. 2024; 6:e480.[15] Seungsoo Park, Hongjun Chang, Hyuntae Lee, Minhong Lim, Hyeongguk An, Jiwoong Kang, Soyeon Lee, Mingyu Lee, Cheolhee Han, Hochun Lee, Sujong Chae, Janghyuk Moon, Hongkyung Lee; Diluent-mediated interfacial reactions in localized-high-concentration electrolytes for fast-charging lithium-ion batteries.J. Mater. Chem. A2024; 12 (27): 16517–16527.[16] Min Li, Shuai Li, Dong Yan, Yuhao Ma, Xiaobin Niu, Liping Wang; Electrolyte design weakens lithium-ion solvation for a fast-charging and long-cycling Si anode.Chem. Sci.2025; 16 (6): 2609–2618.[17] Siyu Sun, Huipeng Zeng, Baichuan Cui, Mingjia Zhi, Jing Zheng, Zhanglian Hong, Jijian Xu; Anion-Complementary Soft Solvation Electrolytes Stabilizing Dual Interfaces for High-Voltage Lithium Metal Batteries across Wide Temperatures.ACS Appl. Mater. Interfaces1 October 2025; 17 (39): 54623–54632.[18] Chengxin Peng, Xuhao Yang, Wenjing Tang, Suting Weng, Liang Wang, Zhou Zhang, Bo Deng, Ting Yi, Weimin Zhao, Jinchen Fan, Huixin Chen, Xuefeng Wang, Shixue Dou, Wei Tang,Fluorinated solvent coupled anions-derived hybrid interphase enabled highly reversible and cryogenic silicon anode, Journal of Colloid and Interface Science, Volume 699, Part 1, 2025,138146,[19] Liwei Dong, Dan Luo, Bowen Zhang, Yaqiang Li, Tingzhou Yang, Zuotao Lei, Xinghong Zhang, Yuanpeng Liu, Chunhui Yang, Zhongwei Chen; All-Fluorinated Electrolyte Engineering Enables Practical Wide-Temperature-Range Lithium Metal Batteries.ACS Nano16 July 2024; 18 (28): 18729–18742.[20] Hong Z, Tian H, Fang Z, et al. Challenges and Advances in Wide-Temperature Electrolytes for Lithium-Ion Batteries.ChemElectroChem, 2024, 11: e202300759.[21] Anion Reduction Boosts Fast-Charging Silicon Anodes. https://bioengineer.org/anion-reduction-boosts-fast-charging-silicon-anodes/[22] L. Yue, M. Yu, X. Li, Y. Shen, Y. Wu, C. Fa, N. Li, J. Xu, Wide Temperature Electrolytes for Lithium Batteries: Solvation Chemistry and Interfacial Reactions.Small Methods2024, 8, 2400183.[23] J. S. Kim, U. Kulkarni, J. H. Park, et al. “ Eutectic Transition and Interfacial Modulation of Multifunctional Ionic Liquid Additives for Subzero-Temperature Lithium-Ion Batteries.”Adv. Energy Mater.15, no. 45 (2025): e03900.[24] Tang, J., Wei, Z., Wu, J.et al.Neighboring alkenyl group participated ether-based electrolyte for wide-temperature lithium metal batteries.Nat Commun16, 7917 (2025).[25]Huaqing Yu, Jingwei Zhang, Jia Li, Zhenyu Fan, Xu Liu, Yujie Ning, Kun Li, Linhao Dong, Ke R. Yang and Qing Zhao. Intrinsically Unpolymerized Cyclic Ether Electrolyte for Energy-Dense Lithium Metal Batteries. CS Chem. 2025, 7, 2808–2821.关键词溶剂桥接电解液, 硅负极, 快充, 低温电池, LiF-rich SEI, 环醚, 线醚, 溶剂化结构, 电解液设计,本文由 129Lab 基于公开发表的学术文献撰写仅供学术交流和信息传播之用不构成任何投资建议或商业推荐。