复旦大学高悦教授团队Angew：机器学习辅助单分子三功能集成：面向低温钠离子电池的钠补偿、共溶剂与稀释剂一体化有机添加剂

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钠离子，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。

  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，原位释放钠离子、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 0.61mS cm^⁻1，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。

相关成果以“ Single-Molecule Additive Integrating Na-Ion Reservoir, Cosolvent, and Diluent Functions for Low-Temperature Na-Ion Batteries ”为题发表在国际期刊Angewandte Chemie International Edition上。论文的通讯作者是复旦大学高悦教授，王胜飞为论文第一作者。

图1.用于低温钠离子电池预钠化功能添加剂策略示意图。(a)通过机器学习辅助设计功能性电解液添加剂，为低温钠离子电池提供钠离子、降低冰点并减少粘度。(b)NaB(C₂H₅)₄分解机制：释放钠离子，同时生成低冰点B(C₂H₅)₃作为共溶剂以及液化C₄H₁₀用于降低电解液粘度。

图2. 通过化学信息学和机器学习发现功能性有机钠盐。(a)预钠化添加剂发现的机器学习工作流程，整合了特征工程、模型训练与多目标优化。(b)特征重要性分析识别出调控氧化行为的关键分子描述符(如卤素取代、拓扑表面积)。(c)采用不同超参数的随机森林模型在测试集上对氧化电位预测的性能表现。(d)通过DFT计算对44种具有理想预测氧化电位(2.5-4.0V)的候选分子进行准确性验证。(e)帕累托前沿筛选出三种最优分子，在分解电压、容量、合成可行性与电解液兼容性之间实现平衡。

图 3.  NaB(C₂H₅)4的电化学行为与钠补偿机制。(a)0.1C倍率下2.5-4.0V电压区间的充放电曲线。(b)0.5mV s⁻¹扫描速率下的循环伏安曲线。(c)NaB(C₂H₅)₄在不同商用电解液中的溶解度。(d)含NaB(C₂H₅)₄电解液分解产物的气相色谱-质谱联用(GC‑MS)与(e)液相色谱-质谱联用(LC‑MS)谱图。(f)预钠化处理前(灰色)后(蓝色)电解液的¹¹B核磁共振谱。(g,h)预钠化处理前(g)后(h)P₂型Na_2/3Ni_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂正极材料的扫描电镜图像。(i)-60℃条件下采用NaB(C₂H₅)₄进行预钠化处理的软包电池实物照片。

图4.B(C₂H₅)₃ 和C₄H ₁₀ 在电解液中的共溶剂行为。(a) 低温预钠化处理前后基线电解液与改性电解液的粘度变化。(b) ²³Na核磁共振谱及(c) 拉曼光谱对比未添加与添加NaB(C₂H₅)₄的预钠化电解液。(d) 原始电解液与补钠电解液中Na⁺迁移数的误差棒图示。(e) 不同温度下的离子电导率及(f) 相应阿伦尼乌斯曲线与拟合活化能。(g–i) EC/EMC(g)、PC(h)和醚类(i)电解液在选定温度下未经预钠化(左)与经预钠化(右)的溶液状态对比照片。

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。(a)经预钠化处理的各类电解质凝固与纯三乙基硼烷及液化丁烷的对比。(b)硬碳||P₂型Na_2/3Ni_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂全电池在-30℃下的倍率性能。(c)不同温度下0.1C倍率的放电容量。(d,e)基于醚类电解质的电压曲线：(d)含预钠化处理与(e)不含预钠化处理的对比。(f,g)基于碳酸酯类电解质的电压曲线：(f)含预钠化处理与(g)不含预钠化处理的对比。

图6. NaB(C₂H₅)₄预钠化硬碳|| P₂-Na_2/3Ni_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂ 软包电池的低温电化学性能。(a) 在-30℃下有无预钠化的循环性能对比。(b) -30℃运行期间选定循环的对应电压曲线。(c) -60℃下有无预钠化的长期循环稳定性比较。(d) -60℃运行过程中不同循环周期的电压曲线。

综上所述，这篇论文展示了一种多功能电解质添加剂策略，能够实现钠离子电池在低温条件下的稳定运行。单一分子添加剂四乙基硼酸钠（NaB(C₂H₅)₄）独特地整合了三大功能：作为活性钠补偿的钠离子储存库，其分解产物三乙基硼（B(C₂H₅)₃）和丁烷（C₄H₁₀）则分别发挥共溶剂和稀释剂作用。这种协同组合同时解决了低温环境下钠损耗、高粘度和电解液冻结等关键挑战。在实际软包电池应用中，该策略使-60℃下的电池容量提升两倍以上，同时保持200次循环的优异稳定性。我们的分子设计策略为开发极端环境下可靠运行的高性能钠离子电池提供了可扩展的解决方案。

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.7967447

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。

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.

 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。