近日，我所DNL2900研究组陈忠伟院士团队提出了一种“极性对比（polarity-contrast）”电解液设计策略，有效提升锂金属电池在极端低温环境下的动力学特性与电化学稳定性，为构建耐低温、阴离子主导型溶剂化结构提供了新的电解液设计思路。借助平台原位低温拉曼光谱表征技术精准追踪了阴离子在不同温度下的特征振动演变，直观揭示了“极性对比”策略对抑制低温下阴离子被挤出Li⁺溶剂化鞘、构建稳定AGG结构的调控作用。相关研究成果以“Anion coordination transition enabled by ion-dipole interactions at low temperatures”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。

此外，团队提出了一种“有机-无机-水多相湿沙（MASSE）”电解液设计策略，通过重构氢键网络与构筑缺水溶剂化结构，有效抑制了高温下自由水的活性与寄生反应，显著提升了水系锌金属电池在极端热环境下的循环稳定性与安全性。借助平台原位高温拉曼光谱表征技术精准追踪了电解液在20°C至140°C区间内的结构演变，直观揭示了组分间协同作用对氢键网络的固化效应及对溶剂化鞘层的稳定作用。相关研究成果以“Multiphase Aqueous Soggy Sand Electrolyte for Zinc Metal Batteries Applications at Elevated Temperatures”为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

图1|a不同分子的氢原子位置示意图；2D的¹H−¹⁹F HOSEY 核磁共振谱b25℃，c-40℃；d不同温度下DMM/FEC(8/2)的¹H核磁共振谱；DMM/FEC(8/2)的¹H−¹H COSY核磁共振谱e25℃，f-40℃

图2|aBare中FSI⁻的S-N-S弯曲振动模式变温拉曼谱；b基于拉曼谱得到的Bare中SSIPs/CIPs/AGGs比例；cD8F2中FSI⁻的S-N-S弯曲振动模式变温拉曼谱；d基于拉曼谱得到的D8F2中SSIPs/CIPs/AGGs比例

借助变温和二维核磁测试，从分子层面精准揭示了DMM/FEC溶剂对与FSI⁻的相互作用规律及温度响应特征。其中2D ¹H-¹⁹F HOESY谱显示25℃时FEC、DMM均与FSI⁻存在静电作用，-40℃时FEC-FSI⁻交叉峰增强、DMM-FSI⁻交叉峰减弱，直接证实低温下FEC对FSI⁻的结合力上升、DMM约束减弱。2D ¹H-¹H COSY及浓度依赖¹H NMR则验证了FEC与DMM间偶极-偶极相互作用随温度降低，FEC占比升高而强化。这些结果为低温下FSI⁻主导溶剂化结构的形成机制提供了关键实验支撑，是验证“极性对比”电解质设计策略的核心依据。

借助原位低温拉曼光谱对电解液溶剂化结构的精准解析，本研究揭示了极性对比策略调控低温溶剂化行为的核心机制：针对FSI⁻阴离子在700–780 cm⁻¹区间的特征振动监测表明，传统电解液随温度降低呈现溶剂主导型演变，阴离子被排挤出配位鞘导致SSIP占比激增，而极性对比电解液则通过离子-偶极相互作用驱动结构反转，使CIP与AGG占比显著上升，成功构建稳定的阴离子富集环境。这一表征从分子层面直接证实了该策略能有效克服低温下阴离子配位弱化的固有缺陷，为阐明AGG结构与均匀锂沉积、高离子传输效率之间的构效关系提供了关键的光谱学实证，确立了微观溶剂化调控对实现高性能低温锂金属电池的决定性意义。

图3|aZn(OTf)₂-H₂O;bZn(OTf)₂-DEG;cMASSE在不同温度下O-H伸缩的原位拉曼光谱

借助原位高温拉曼光谱对电解液热稳定性的精准解析，本研究揭示了多相湿沙策略调控高温溶剂化行为的核心机制：针对O-H伸缩振动带的实时监测表明，传统水系电解液随温度升高迅速发生盐析与蒸发，而引入Al₂O₃的MASSE体系则通过配体交联作用锁定溶剂化网络，使O-H特征峰强度在高温下保持稳定且无结晶析出。这一表征从分子层面直接证实了该策略能有效克服高温下溶剂挥发与结构崩塌的固有缺陷，为阐明缺水溶剂化结构与均匀锌沉积、高离子传输效率之间的构效关系提供了关键的光谱学实证，确立了微观氢键调控对实现高性能高温锌金属电池的决定性意义。

原位电化学拉曼光谱是能源电池研究领域中重要分析技术手段之一。能源研究技术平台(DNL20)的两套共聚焦原位拉曼光谱系统配有355nm,532 nm和785 nm激光器，结合显微镜成像功能，具有优良的拉曼信号响应和稳定性。同时，该系统配备变温原位反应池，低温变温范围-180 ~200 ℃，高温变温范围0~800 ℃，拉曼光谱覆盖100-4000 cm^-1的宽波数区间，可同时对固体样品及表面吸附物种进行定性、定量分析，也可以对液相材料的反应过程进行跟踪。

能源研究技术平台(DNL20) 400兆液体核磁，主要用于天然产物、有机合成化合物的结构测定，可进行一维及二维核磁共振分析，如¹H，¹³C，NOE，DEPT，COSY，TOCSY,NOESY，HMQC等。同时该设备还配有变温装置，变温范围-100℃-150℃。

该工作的第一作者是我所DNL2900联培博士研究生任婧萱。