12月5日，上海理工大学窦世学院士、吴超教授团队在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）发表重要研究成果，论文题为“分子楔重构溶剂化结构用于低温Ah级无负极钠金属电池“（Molecular Wedge Reconstructing the Solvation Structure for Low-Temperature Ah-Level Anode-Free Sodium Metal Batteries）。该工作面向极寒环境下高能量密度储能技术的重大需求，提出了一种全新的 “分子楔入（Molecular Wedging）”电解液设计策略，实现了从室温25°C到-40 °C超低温条件下Ah级无负极钠金属电池的高稳定循环与高能量密度，填补了该领域长期存在的性能瓶颈。上海理工大学与上海大学联合培养博士生黄嘉文为第一作者，宁波东方理工大学彭健教授、福州大学吴明红院士、上海理工大学能源材料科学院吴超教授为共同通讯作者，上海理工大学为第一单位。
无负极钠金属电池因成本低、能量密度高、结构极简，是下一代大规模储能的重要方向。然而，在低温环境下，传统电解液普遍面临离子传输迟缓、溶剂-钠离子强配位导致低温冻结、脱溶剂化困难、界面不稳定导致容量快速衰减。这些问题使其在 0 °C 以下几乎无法正常工作，不能实现 Ah 级软包电池的稳定运行。
研究团队通过引入芳香醚，凭借其与强溶剂化作用溶剂之间的定向偶极作用“楔入”钠离子溶剂化结构，从空间位阻与电荷重分布两个层面重构局部溶剂化环境，显著降低低温脱溶能垒，并促进形成富含无机组分的稳定界面膜。得益于这一结构调控机制，电解液在-40 °C依旧保持良好流动性、高离子电导率和界面反应稳定性。在电化学性能测试中，团队所构建体系在 -40 °C 下实现了 99.98% 库伦效率与超过 1000 小时的稳定循环，表现出高度可逆的钠沉积行为。进一步制备的3Ah无负极软包电池在 -40 °C环境中仍具备2.41Ah的初始容量和170 Wh kg⁻¹的能量密度，展示了优异的工程应用潜力。使用商用化的NFM层氧正极软包电池能在-40 °C下实现184 Wh kg⁻¹的超高能量密度。
该研究为钠电的低温储能系统提供了新的设计理念，为推动无负极钠金属电池在极寒地区储能、电动交通和航空航天领域的应用迈出重要一步。
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论文原理图
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论文DOI：10.1021/jacs.5c17927
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c17927
