電動汽車、電動航空等前沿領域對高能量密度、低成本、綠色環保的動力系統的需求日益增加，開發兼顧上述指標的新一代鋰電池已成為領域內的共識。其中，基于高電壓正極（富鋰錳基層狀氧化物、高鎳三元層狀氧化物）和鋰金屬負極的電池體系因具備高能量密度和低成本等優勢，被廣泛視為實現能量密度突破600 Wh kg?1的潛在電池體系。
然而，高電壓鋰金屬電池的開發對電解質的高電壓穩定性要求十分嚴苛。現有高電壓電解質體系大多依賴含有強吸電子基團的氟代溶劑，通過降低溶劑分子的最高占據分子軌道能級，從而提升高電壓（>4.3 V vs. Li/Li+）下的抗氧化性。但氟代溶劑的成本較高，且許多氟代溶劑屬于全氟/多氟烷基物質，為電池回收與環境可持續性帶來極大挑戰，制約了高電壓鋰金屬電池的進一步發展。因此，如何在不使用以氟為代表的強吸電子基團的前提下設計出在高電壓下穩定的溶劑分子，成為該領域的重要挑戰。
近日，清華大學化工系張強教授團隊與合作者從有機試劑的本征氧化機理入手，提出“消除α-氫”分子設計新策略，成功開發出一種無氟、低成本且高電壓穩定的電解質溶劑（MTMA）。研究團隊通過深入的機理研究發現，羧酸酯類溶劑會在高電勢正極表面發生其羰基的α-氧化反應，該反應會釋放質子并引發一系列導致正極結構破壞和過渡金屬溶出的惡性副反應。基于此發現，研究團隊將常規羧酸酯溶劑MA中所有高活性的α-氫替換為惰性的甲基，設計出MTMA溶劑，從源頭上阻斷了其α-氧化路徑。實驗結果表明，在不引入任何氟原子等吸電子基團的情況下，MTMA分子展現出了高達5.6 V（vs. Li/Li+）的抗氧化穩定性，優于典型氟代溶劑體系LB372（4.9Vvs. Li/Li+）。
得益于MTMA優異的電化學穩定性，研究團隊在實用化軟包電池層面取得了突破性進展。基于MTMA電解質構建的7.2 Ah軟包電池，在嚴苛條件（充電截止電壓達4.6 V，注液量僅1.0 g Ah?1）下，能量密度達到652.4 Wh kg?1，且循環28次后容量保持率達94.5%。此外，該無氟溶劑體系在展現高能量密度的同時，兼具卓越的高功率動力學性能。在模擬電動垂直起降飛行器（eVTOL）的快速放電工況下，5.0 Ah軟包電池穩定循環超過350次，平均能量效率維持90%以上；并且支持四旋翼無人機啟停和長時間懸停工作。該研究為高比能鋰電池電解質提供了一種兼顧穩定性、低成本和綠色環保的新設計思路。
圖1.無氟、高電壓穩定分子的設計策略示意圖。（a）通過選擇性阻斷最優氧化路徑，提升分子的氧化分解電勢；（b）有機化學中羧酸酯的常見氧化機理；（c）高電壓鋰金屬電池中常規羧酸酯的α-氧化分解機理；（d）無氟、高電壓穩定MTMA溶劑的α-氧化路徑被阻斷
圖2.基于MTMA非氟代電解質的7.2 Ah軟包電池（a）綜合性能卓越，循環28圈容量保持率94.5%（b）能量密度達652.4 Wh kg?1
研究成果以“阻斷α-氧化實現面向高電壓鋰電池的非氟代溶劑”（Blocking oxidation of α-hydrogens enables non-fluorinated solvents to achieve high-potential stability in lithium batteries）為題，于5月26日發表于《自然·化學》（Nature Chemistry）。
清華大學化學系2025屆本科畢業生黃宇欣和北京理工大學2022級博士生楊毅為論文共同第一作者，清華大學化工系教授張強、副研究員趙辰孜為論文共同通訊作者。該研究得到教育部學科突破先導項目、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、科學探索獎、清華大學自主科研計劃等的支持。
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