氟是元素周期表中电负性最强的元素和原子量最轻的卤素。与正电离子相比，低电荷密度F^-具有高氧化稳定性、高迁移效率和低去溶剂化能垒。而氟离子电池以其理论能量密度高、无枝晶安全性、氟储量丰富等优势，有望在未来成为下一代二次电池。电解液作为F^-传输的有效载体，对室温可逆氟离子电池的构建起着关键作用。然而，即使与大离子半径Cs⁺搭配，由于F^-的强电负性，无机氟盐在传统有机溶剂中的溶解仍然具有挑战性。相比之下，高分子氟盐易于溶解但合成过程复杂，并且其𝛽-H易受霍夫曼消除反应的影响而导致持续的氟盐分解。尽管已经提出了多种阴离子受体来解决无机氟盐在有机溶剂中的不溶性问题，但氟离子从受体中解离的困难导致氟离子电池的寿命短且比容量低。

基于上述问题，中国科学院上海硅酸盐研究所李驰麟研究员带领的团队首次提出了一种受体-多氟态电解液体系，展示了一种具有超长寿命和超高比容量的氟离子电池。该电解液使用三苯基二氯化锑（简称TSbCl）作为新型阴离子受体，其高路易斯酸性促进了氟化铯（CsF）氟盐的完全解离。当TSbCl与氟离子结合形成六配位锑化合物（TSbCl-F）后，TSbCl上的氯位点可以进一步被氟取代，形成多氟受体态（TSbCl-nF，n = 2,3）。TSbCl-nF与TSbCl-(n-1)F之间的转化能量显著低于经典的单氟受体态（acceptor-F）向受体态（acceptor）转化的能量，从而促进了氟离子从阴离子受体-氟离子复合物中的解离。该策略结合了氟盐的高解离能力和电极-电解质界面释放氟离子的低热力学障碍，极低的热力学界面阻力导致铜基充电产物以更高氧化态（+2.5）出现，从而提升了氟离子电池的比容量。这种电解质设计使得氟离子电池具有持久的可逆氟化/脱氟反应（CuF₂//Pb电池超过3700次循环，库仑效率高达99.5%，电压极化仅为30 mV）和超高可逆容量（CuF₂//Sn+SnF₂电池在100 mA/g下循环40次后容量为580 mAh/g）。此外，该工作还实现了高输出电压的氟离子电池（CuF₂//Li电池放电平台为2.9 V）和更大尺寸的软包电池（可逆容量为530 mAh/g）。相关成果以“Construction of acceptor-multi-F state electrolyte to enable unprecedented long-life and high-capacity fluoride-ion batteries” 为题发表于Adv. Mater. 37, 2415106, 2025。

近年来报道主要聚焦于常规的硼基和醇基阴离子受体，其强路易斯酸性和高氢键强度通常会导致不可控的活性材料损失以及电解质较差的还原稳定性。相较而言，虽然氨基和亚氨基具有较好的抗还原性，但它们的氢键强度明显不足，无法解离氟盐。基于此，该团队开发了一种基于亚氨基阴离子受体的新型分子设计策略，通过在吡咯烷的五元环中引入双键和吡啶N对亚氨基受体进行分子结构设计，利用共轭效应、诱导效应和α效应以增强亚氨基的路易斯酸性，实现无机氟盐的高效解离和氟离子电池在宽电压范围内的高度稳定运行。理论计算和实验证明，1,2,4-三氮唑受体在提高亚氨基氢键强度的同时，最大限度地保证了其还原稳定性。此外，酰胺溶剂（DMA）有助于捕获质子并降低游离受体的含量，从而进一步提高电极界面的电化学稳定性。基于这种亚氨基受体，电解质实现了前所未有的宽电化学稳定窗口（5.5 V）。此外，CuF₂||Pb全电池能够以Cu⁺介导的两步氧化还原机制进行高度可逆的氟化/脱氟（>300次循环），PbF₂-Pb||PbF₂-Pb对称电池在1600小时内仍然具有低的氟化/脱氟过电位，PbF₂||Pb半对称电池也具有≈100%的高库仑效率。相关成果以“Molecular Design of Imino Anion Acceptors Enables Long-Life Fluoride Ion Batteries” 为题发表于Adv. Energy Mater. 15, 2404282, 2025。

该团队也通过在醇阴离子受体苯甲醇（BA）中引入 N, N-二甲基乙酰胺（DMA）作为高古特曼供体数（DN）溶剂，获得了可同时实现氟盐高效解离和活性物质穿梭抑制的高性能氟离子电池电解液。高供体DMA通过氢键作用有效调控了氟离子和铯离子的溶剂化构型，从而提高了氟离子在过量受体中穿梭和界面的脱溶剂化性能。同时，DMA能重新配置氢键网络，大大降低了游离BA的比例并提高了电解液的电化学稳定性。最后，高供体DMA 中富含电子的C=O基团能够将过渡金属阳离子稳定在电极界面，抑制活性物质（CuF₂、PbF₂）的持续溶解和穿梭。在BA和DMA的协同作用下，电解液的F^-电导率和迁移数都显著提高。基于BA-DMA电解液的CuF₂||Pb全电池可实现≈300 mAh g^-1的可逆放电容量并稳定氟化/脱氟过程，43次循环后仍可实现245.5 mAh g^-1的可逆容量。相关成果以“Electrolyte Design by Synergistic High-Donor Solvent and Alcohol Anion Acceptor for Reversible Fluoride Ion Batteries” 为题发表于Adv. Funct. Mater. 34, 2406421, 2024。

该系列工作提出的电解液设计原则可以应用在不同受体基电解液体系中，为高性能可充氟离子电池的先进电解液设计提供方向。上述工作第一作者分别是上海硅酸盐所博士毕业生李德成和在读博士生李古月，通讯作者是上海硅酸盐所李驰麟研究员，相关研究工作得到了国家自然科学基金和上海市科委等项目的资助和支持。

附论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415106

https://doi.org/10.1002/aenm.202404282

https://doi.org/10.1002/adfm.202406421

新概念的受体-多氟态电解质设计

受体-多氟态电解液的全电池性能

亚氨基阴离子受体分子和电解液设计

基于亚氨基受体氟离子电池的循环性能

理论计算指导构建基于高供体溶剂与醇阴离子受体的电解液

高供体溶剂对氟离子电池穿梭效应的抑制