一种可在零下温度工作的高压水系钠离子电池电解液

水系钠离子电池因使用水作为溶剂而具备本质安全性与环保优势，但长期受限于两个关键瓶颈：一是水本身的电化学稳定窗口窄（仅约1.23伏），导致电池电压低、能量密度小；二是常规高浓度“水在盐中”（WISE）电解液在低温下易结晶凝固，无法在寒冷地区实用。本研究首先发现一种新型钠盐——氰基三氟甲磺酰亚胺钠（NaCTFSI）——可配制成17.6 mol/kg的真·WISE电解液，将稳定窗口拓宽至2.78伏，并兼容高电压普鲁士蓝类正负极材料。但该电解液在室温以下即开始析出晶体，-20℃时完全冻结，失去导电性。为突破此限制，研究人员系统探索了NaCTFSI与另一种钠盐——双氟磺酰亚胺钠（NaFSI）——的混合体系，发现当浓度为14.1 mol/kg NaCTFSI + 31.5 mol/kg NaFSI（合计45.6 mol/kg Na⁺）时，形成类共晶的深过冷液体，-20℃下仍保持均匀液态长达一个月，且不易受震动或杂质诱发结晶。更重要的是，该混合电解液不仅低温性能优异，其电化学稳定窗口进一步扩大到3.07伏（阴极极限-1.58 V，阳极极限+1.49 V），这得益于NaCTFSI阴离子（CTFSI⁻）能在铝集流体表面构筑更致密稳定的固态电解质界面（SEI），有效抑制析氢副反应。同时，CTFSI⁻还能显著缓解NaFSI中FSI⁻阴离子易水解产酸（HF）的问题，从而大幅降低对不锈钢等金属部件的腐蚀性，保障电池长期循环稳定性。实验证明，采用该混合电解液组装的KMnC（负极）|NaMnF（正极）全电池，在-20℃下仍能维持75 mA·h/g的放电容量（约为常温容量的56%），并稳定循环500周以上，容量保持率超70%。此外，研究人员通过红外光谱、核磁共振、拉曼光谱及理论计算证实：在该高浓混合体系中，水分子几乎全部参与溶剂化，Na⁺周围同时配位CTFSI⁻（优先通过氰基）、FSI⁻及少量水分子，形成动态、松散的离子簇网络，支撑了独特的“超离子”传导行为——即离子电导率（2.1 mS/cm）在-20℃下仍处于实用水平，且未被高粘度明显拖累。综上，该工作提供了一条兼具高电压、宽温域、强耐蚀与本质安全的水系钠电技术新路径，为寒冷地区储能应用带来切实可行的解决方案。