电动汽车、电动航空等前沿领域对高能量密度、低成本、绿色环保的动力系统的需求日益增加，开发兼顾上述指标的新一代锂电池已成为领域内的共识。其中，基于高电压正极（富锂锰基层状氧化物、高镍三元层状氧化物）和锂金属负极的电池体系因具备高能量密度和低成本等优势，被广泛视为实现能量密度突破600 Wh kg?1的潜在电池体系。

然而，高电压锂金属电池的开发对电解质的高电压稳定性要求十分严苛。现有高电压电解质体系大多依赖含有强吸电子基团的氟代溶剂，通过降低溶剂分子的最高占据分子轨道能级，从而提升高电压（>4.3 V vs. Li/Li+）下的抗氧化性。但氟代溶剂的成本较高，且许多氟代溶剂属于全氟/多氟烷基物质，为电池回收与环境可持续性带来极大挑战，制约了高电压锂金属电池的进一步发展。因此，如何在不使用以氟为代表的强吸电子基团的前提下设计出在高电压下稳定的溶剂分子，成为该领域的重要挑战。

近日，清华大学化工系张强教授团队与合作者从有机试剂的本征氧化机理入手，提出“消除α-氢”分子设计新策略，成功开发出一种无氟、低成本且高电压稳定的电解质溶剂（MTMA）。研究团队通过深入的机理研究发现，羧酸酯类溶剂会在高电势正极表面发生其羰基的α-氧化反应，该反应会释放质子并引发一系列导致正极结构破坏和过渡金属溶出的恶性副反应。基于此发现，研究团队将常规羧酸酯溶剂MA中所有高活性的α-氢替换为惰性的甲基，设计出MTMA溶剂，从源头上阻断了其α-氧化路径。实验结果表明，在不引入任何氟原子等吸电子基团的情况下，MTMA分子展现出了高达5.6 V（vs. Li/Li+）的抗氧化稳定性，优于典型氟代溶剂体系LB372（4.9Vvs. Li/Li+）。

得益于MTMA优异的电化学稳定性，研究团队在实用化软包电池层面取得了突破性进展。基于MTMA电解质构建的7.2 Ah软包电池，在严苛条件（充电截止电压达4.6 V，注液量仅1.0 g Ah?1）下，能量密度达到652.4 Wh kg?1，且循环28次后容量保持率达94.5%。此外，该无氟溶剂体系在展现高能量密度的同时，兼具卓越的高功率动力学性能。在模拟电动垂直起降飞行器（eVTOL）的快速放电工况下，5.0 Ah软包电池稳定循环超过350次，平均能量效率维持90%以上；并且支持四旋翼无人机启停和长时间悬停工作。该研究为高比能锂电池电解质提供了一种兼顾稳定性、低成本和绿色环保的新设计思路。

图1.无氟、高电压稳定分子的设计策略示意图。（a）通过选择性阻断最优氧化路径，提升分子的氧化分解电势；（b）有机化学中羧酸酯的常见氧化机理；（c）高电压锂金属电池中常规羧酸酯的α-氧化分解机理；（d）无氟、高电压稳定MTMA溶剂的α-氧化路径被阻断

图2.基于MTMA非氟代电解质的7.2 Ah软包电池（a）综合性能卓越，循环28圈容量保持率94.5%（b）能量密度达652.4 Wh kg?1

研究成果以“阻断α-氧化实现面向高电压锂电池的非氟代溶剂”（Blocking oxidation of α-hydrogens enables non-fluorinated solvents to achieve high-potential stability in lithium batteries）为题，于5月26日发表于《自然·化学》（Nature Chemistry）。

清华大学化学系2025届本科毕业生黄宇欣和北京理工大学2022级博士生杨毅为论文共同第一作者，清华大学化工系教授张强、副研究员赵辰孜为论文共同通讯作者。

研究得到教育部学科突破先导项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、科学探索奖、清华大学自主科研计划等的支持。