1.工作简介
复旦大学高悦团队在 Angewandte Chemie International Edition 发表题为 “Single-Molecule Additive Integrating Na-Ion Reservoir, Cosolvent, and Diluent Functions for Low-Temperature Na-Ion Batteries”的研究论文。
低温下钠离子电池面临活性钠损失、电解液冻结和黏度飙升三重瓶颈。传统多组分添加剂复配易相互干扰，而将补钠、抗冻、降黏三功能集成于同一个分子，需同时满足电位适宜、无固体残留、溶解度好等苛刻条件。团队基于前期有机钠盐领域的电化学积累，构建了具有明确设计逻辑的候选分子库，并借助机器学习与多目标优化从中筛选出有机硼中心钠盐 NaB(C2H5)4。该分子在电池化成阶段通过自由基裂解路径，原位释放 Na+、低凝固点共溶剂 B(C2H5)3 和液化稀释剂 C4H10，实现“一分子三功能”且无残留。改性电解液在 −60 °C 下离子电导率达 0.61 mS cm⁻1（空白两倍），黏度显著降低；软包电池首效由 64.8% 提升至 83.7%，−60 °C 循环200圈容量保持率 90.2%。该工作为低温储能提供了单分子多功能集成的新范式。
图1. 用于低温钠离子电池预钠化功能添加剂策略示意图。
2. 研究背景：低温钠离子电池面临“三重挑战”
钠离子电池因资源丰富、成本低和安全性高，被认为是大规模储能和低温储能的重要候选体系。然而，在低温条件下，钠离子电池仍面临多重瓶颈。首先，硬碳负极在首圈形成固体电解质界面膜时会不可逆消耗活性 Na+，导致首圈库伦效率降低和可逆容量损失。其次，常规电解液在低温下容易冻结或黏度急剧升高，造成离子传输动力学缓慢。再次，低温下溶剂化结构和界面反应过程变得更加复杂，使电池极化加剧、容量快速衰减。传统策略通常需要分别引入补钠剂、低凝固点共溶剂和稀释剂来解决上述问题。然而，多种功能添加剂的复配容易带来组分干扰、制造复杂性增加以及电化学兼容性下降等问题。因此，如何通过一个分子同时解决低温钠离子电池中的多重限制因素，是实现高性能低温钠离子电池的重要科学问题。
3. 设计思路：从“单一功能添加剂”到“单分子多功能集成”
针对上述问题，高悦团队提出了“单分子集成”的分子设计理念：将钠离子补充单元、低凝固点共溶剂生成单元和降黏稀释剂生成单元整合到同一个有机钠盐分子中。在该设计中，理想添加剂需要同时满足以下条件：一是在常规电池充电窗口内可以不可逆氧化分解，用于释放活性 Na+；二是分解产物不形成有害固体残留，避免堵塞电极孔道或增加界面阻抗；三是分解产物应具有低凝固点或降黏作用，从而改善低温电解液性质；四是分子本身应具有良好溶解性、合成可行性和电化学兼容性。为实现这一目标，研究团队构建了由活性中心和功能侧基组合而成的候选分子库，并结合文献数据库、DFT 计算标签、分子描述符工程、随机森林模型和 Pareto 多目标优化，对候选有机钠盐进行筛选。最终，机器学习辅助筛选结果指向有机硼中心钠盐 NaB(C2H5)4。该分子兼具合适的氧化分解电位、较高理论补钠容量、较好的电解液溶解性和明确的低温功能分解产物，因此被确定为最优候选分子。
图2. 通过化学信息学和机器学习发现功能性有机钠盐。
4. 机制验证：NaB(C2H5)4 实现补钠、共溶剂和稀释剂三重功能
电化学测试表明，NaB(C2H5)4 在 Na|carbon 半电池中可在 4.0 V 以下发生氧化分解，并贡献178.2 mAh g⁻1 的比容量，与理论容量高度接近，说明其可作为有效的钠离子补充剂。进一步的 GC-MS、LC-MS、11B NMR 和自由基捕获实验表明，NaB(C2H5)4 的氧化分解遵循自由基裂解路径。该过程释放 Na+ 的同时，生成 B(C2H5)3 和 C4H10。其中，B(C2H5)3可作为低凝固点共溶剂和阴离子受体调控电解液溶剂化结构；C4H10 在低温下以液化状态存在，可作为稀释剂降低电解液黏度。这一结果说明，NaB(C2H5)4 并非传统意义上的单一补钠剂，而是一个在电池化成过程中“原位转化”为多功能低温电解液组分的智能分子添加剂。
图3. NaB(C2H5)4的电化学行为与钠补偿机制。
5. 电解液调控：降低凝固点、降低黏度、提升离子传输
NaB(C2H5)4分解产生的 B(C2H5)3 和 C4H10 显著改善了电解液的低温性质。在 −60 °C 下，添加剂分解后的电解液黏度由空白体系的 59.1 mPa·s 降低至 49.7 mPa·s。同时，改性电解液在 −60 °C 下仍可实现 0.61 mS cm⁻1 的离子电导率，约为空白电解液的两倍。此外，Na+ 迁移数也得到提升，说明该分子分解产物不仅降低了低温黏度，还改善了钠离子的传输行为。谱学表征和分子动力学模拟进一步表明，B(C2H5)3 可与 PF6⁻ 发生相互作用，作为阴离子受体调控 Na+的溶剂化结构，从而降低离子传输活化能并提升低温离子迁移能力。更重要的是，该策略对不同电解液体系均具有适用性。无论是在醚类电解液还是碳酸酯电解液中，NaB(C2H5)4分解后均能显著降低电解液凝固点。对于醚类体系，改性后电解液凝固点可降低至 −85 °C；对于碳酸酯体系，凝固点可降低至 −75 °C，显示出良好的普适性。
图4. B(C2H5)3 和C4H10 在电解液中的共溶剂行为。
6. 电池性能：−60 °C 下实现稳定循环
在硬碳||P2-Na2/3Ni1/3Fe1/3Mn1/3O2 全电池中，NaB(C2H5)4 表现出显著的低温性能提升作用。
在 −30 °C 下，含 NaB(C2H5)4的电池表现出更优的倍率性能和循环稳定性。即使在 2 C 倍率下，改性电池仍可保持 51.8 mAh g⁻1 的放电容量，而空白电池几乎无法正常工作。在更严苛的 −60 °C 条件下，NaB(C2H5)4 进一步体现出其多功能协同优势。硬碳||P2 软包电池的首圈库伦效率由空白体系的 64.8% 提升至 83.7%；在 −60 °C 循环 200 圈后，电池仍保持 90.2% 的容量保持率。此外，软包电池压力监测和 GC-MS 结果表明，在 −60 °C 条件下，NaB(C2H5)4 预钠化并不会造成电池内部压力持续积累，说明该策略在低温软包电池中具有较好的安全性和应用可行性。
图5. NaB(C2H5)4 预钠化降低电解液凝固点降低及提升全电池低温性能。
图6.NaB(C2H5)4 预钠化硬碳||P2-Na2/3Ni1/3Fe1/3Mn1/3O2 软包电池的低温电化学性能。
7. 文献详情：
Shengfei Wang, Guanbin Wu, Chihao Zhao, Yanlong Zhao, Huajing Li, Ziyang Kang, Jiayong Du, Zhengyuan Tang, Zilong Zheng, Xinwei Du, Wenwen Wang, Xiaotian Guo, Yue Gao*. Single-Molecule Additive Integrating Na-Ion Reservoir, Cosolvent, and Diluent Functions for Low-Temperature Na-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7967447, https://doi.org/10.1002/anie.7967447.
8. 通讯作者简介：
高悦，复旦大学高分子科学系、纤维电子材料与器件研究院、聚合物分子工程全国重点实验室教授、博士生导师，国家重点研发计划首席青年科学家，国家海外优青。2018年博士毕业于宾夕法尼亚州立大学化学系。2020年入职复旦以来，以通讯作者在Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Joule、eScience等期刊上发表系列研究论文。专利技术实现了成果转化，建立产线并形成产品，与头部电池企业合作进行产业化应用。获麻省理工科技评论中国“35岁以下科技创新35人”、亚洲青年学者项目，主持国家级项目5项，担任eScience期刊青年编委、上海人工智能研究院领域科学家。
9. 课题组介绍：
课题组于2021年正式组建，聚焦能源存储与转化有机分子材料的前沿研究，重点探索：
·有机电极材料的分子设计与性能调控
·锂/钠离子电池中自牺牲型离子盐补偿机制
·机器学习驱动的能源材料筛选
迄今在化学能源材料顶级期刊发表系列研究工作：
1. Nature (2025): External Li Supply Reshapes Li Deficiency and Lifetime Limit of Batteries.
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08465-y
2. Advanced Materials (2025): Active Organic Salts Enabling Non-Intrusive Electrolyte Presodiation Strategy.
https://doi.org/10.1002/adma.202502251
3. Advanced Materials (2025): Long-Lifespan and High-Rate Energy Storage Enabled by Lithium-Free Batteries with External Li Supply.
https://doi.org/10.1002/adma.202504553
4. Angewandte Chemie International Edition (2025): Compensating K Ions Through an Organic Salt in Electrolytes for Practical K-Ion Batteries.
https://doi.org/10.1002/anie.202424516
5. Journal of the American Chemical Society (2025): Nitrogen-Centered Organic Salts Enable Stable Lithium-Ion Supply for High-Energy-Density Batteries.
https://doi.org/10.1021/jacs.5c09300
6. Angewandte Chemie International Edition (2025): Boron-centered organic salts enabling Na-ion supply and interfacial protection for Na-ion batteries.
https://doi.org/10.1002/anie.202517997
7. Advanced Materials (2026): Enabling Sodium-Ion Batteries Over 180 Wh kg-1 via Organic‐Salt‐Driven Sodium Replenishment.
https://doi.org /10.1002/adma.73448
8. Angewandte Chemie International Edition (2026): Single-Molecule Additive Integrating Na-Ion Reservoir, Cosolvent, and Diluent Functions for Low-Temperature Na-Ion Batteries.
https://doi.org/10.1002/anie.7967447.
10. 课题组招聘：
课题组热忱欢迎优秀博士后，硕士研究生，和本科生加入。1）博士后 我们期待与人工智能、储能电池、机器人、有机化学、高分子化学及相关领域的优秀人才共同探索前沿课题，课题组将为入选者提供事业发展所需要的科研支持，提供有竞争力的薪酬（薪水面议，26-40万）；入选者将获得良好的个人职业发展机遇，课题组鼓励博士后作为负责人申请各类科学基金；复旦大学将为入选者提供租金约为市场价一半的住房及完善的福利待遇。2）研究生计划招收具有高分子科学、化学、材料科学、机械工程和其他相关领域背景的研究生，开展储能和机器人相关的研究。招生政策参见复旦大学高分子科学系招生简章。3）本科生 欢迎复旦大学本科同学了解加入课题组。课题组鼓励成果突出的学者赴国外交流合作、参加国内及国际会议研讨、申报国家和上海市的各类基金。
