寒冬里，手机、无人机、电动汽车常常因锂电池“不扛冻”而失灵。传统锂电池在-30°C以下容量损失可达50%~70%，这已成为其在极寒环境中应用的重大瓶颈。近日，湖南大学刘继磊教授团队在《国家科学评论》发表研究，为这一难题带来了全新的潜在解决方案。该研究团队通过一种巧妙的“极性梯度工程”，重构了电解液中的离子“微环境”，成功让电解液在-110°C的极寒环境中依然保持液态，并使锂电池高效工作。
单打独斗的困境
锂电池怕冷，主要根源在于电解液。在低温下，传统电解液中不同溶剂的“性格”差异巨大：强极性的EC像“热情的车夫”，紧紧抱住锂离子；而弱极性的DMC等则像“冷淡的路人”。这导致锂离子被少数“热情车夫”层层包裹，形成一件厚重的“溶剂化外套”。低温下脱掉这件“外套”极其耗能，就像寒冬里让人裹着厚棉袄跑步——寸步难行。
极性梯度工程：组建“默契车队”
面对这个难题，该研究团队没有像往常一样，仅仅寻找更“冷淡”或更“稀释”的溶剂，而是转变思路，决定组建一支“性格”接近的“车队”。他们将溶剂骨架中的碳原子替换为更大的硫原子，得到亚硫酸酯ES和DMS。这一替换使溶剂间的“性格差异”（介电常数差异）从86.6骤降至17.1，亲和力趋于均衡。硫原子的“大个头”和“好脾气”平滑了分子间作用力。团队还引入“协调员”异丁酸甲酯（IF），进一步降低粘度与冰点，最终打造出由ES、DMS、IF和锂盐组成的“梦幻车队”。
分子极性梯度工程诱导的溶剂化结构。(a) 传统碳酸酯电解质的“单侧”溶剂化鞘；(b) 本文提出的均质化溶剂化鞘。
解密“默契”的微观世界
这支“车队”到底有多默契？研究人员通过分子动力学模拟和光谱分析，为我们揭示了微观世界的奇妙图景。传统电解液中，超过65%的“座位”被EC独占，形成“拥挤车厢”。而在新体系中，DFOB⁻、ES、DMS和IF均衡配位，各司其职。更重要的是，锂离子不再与厚重溶剂“捆绑”移动，转而与DFOB⁻和IF协同迁移—如同换上了轻便的“滑板车”，在低温下畅行无阻。
电解液中锂离子的溶剂化传输模式。(a)传统电解液的整体溶剂化传输模式；(b)设计电解液的部分溶剂化传输模式。
从-110℃到-60℃的性能奇迹
理论很美好，实际表现如何？
首先是惊人的耐寒性。这种新型电解液在低至-110°C时仍能保持清澈液态（传统电解液早已冻结），并在-80°C依然保有1 mS·cm⁻¹的高离子电导率（相当于在极寒中保持了“血液”的畅通）。
电解液的离子电导率及电解液-110°C低温存储状态。
同时，均质溶剂化结构就像一支纪律严明的施工队，在电极表面构筑出富含LiF与B-O等坚硬成分的“保护驿站”。这层膜兼具高导电与高稳定性，使界面离子传输的活化能降低45-56%。最终，搭载该电解液的7.5 Ah软包电池在-20°C循环400次后容量保持81%，-60°C下仍能释放73%的室温容量。
设计电解液的低温性能。(a) 450 Wh·kg-1 LCO/Li软包电池-20°C循环性能；(b) 室温至-60°C低温充放电曲线。
这项研究不止于打破低温纪录，更通过“极性梯度工程”提供了一套普适性策略：从原子尺度调控，系统化解了电解液溶剂化结构不均的难题，打破了离子传导与脱溶剂化之间的传统平衡。这既为极地、深空等极端环境提供了电池解决方案，也为下一代储能材料设计绘制了“分子蓝图”。