锂离子电池目前是电动汽车和电池储能系统的主流选择，但其所需的锂、钴、镍、石墨等关键矿物被视为经济和国家安全的重要资源，极易受到供应链中断的影响。随着可再生能源、电气化基础设施和高功率数字技术的持续发展，低成本、资源丰富、支持快速充放电的储能系统需求日益迫切。
正是这一需求，促使麻省理工学院（MIT）的一支研究团队投入开发新型储能方案。该团队由核科学与工程系及材料科学与工程系的卡尔·理查德·索德伯格动力工程教授Ju Li领衔。
研究团队重点关注钠金属电池。钠的储量约为锂的1000倍，单位重量成本仅为锂的百分之一。然而，钠金属化学性质极为活泼，难以同时实现长期稳定性与快速充放电循环，这成为该领域的核心挑战。
近日，《焦耳》期刊在线发表了一篇新论文，由麻省理工团队15名成员共同撰写。论文揭示了如何通过选择合适的电解质来破解这一两难困境。
电解质的"副作用"之困
电解质与负极（阳极）和正极（阴极）并列为电池的三大核心组件，其作用如同电池的"血液"，负责在两极之间传导带电离子。Ju Li解释道："电解质本应只传输离子，充当离子导体。"然而，大多数电解质会与电极发生不必要的化学反应，严重损害电池稳定性。
核科学与工程系博士后、论文第一作者之一Weiyin Chen指出，这些"副反应"的危害不可小觑。反应产生的不溶性化合物会在电极表面积累，形成阻碍离子传输的屏障，最终导致电池失效。
Chen表示，在此之前，钠金属电池中所用的电解质无一能在正负两极同时保持完全稳定，而这种稳定性对可充电电池实现长循环寿命至关重要。转机出现在2021年——Ju Li课题组与合作者发现了一种"磺酰胺"分子（由硫、氧、氮原子构成），以其作为溶剂时，"在锂电池的两个电极上均表现出神奇的稳定性"。这一分子被称为DMTMSA。
基于这一发现，Ju Li团队着手探索类似分子能否改善钠电池性能，目标不仅是维持稳定性，还要实现快速充放电。若充电速度过慢，可能需要整夜才能充满；若放电速度过慢，则无法在需要时输出足够功率。
"小背包"与"大行李箱"的启示
Chen用一个生动的类比来解释这一思路：假设你需要穿越一条人群密集的街道，就像离子在两极之间穿行一样。"背着一个紧贴身体的小背包，比拖着一个笨重的大行李箱穿越人群要快得多。"
电池中的情形与此相似：当钠离子被较小的溶剂分子包围时，其移动速度比被大体积溶剂分子包围时更快，从而实现更迅速的充放电。因此，团队的目标是找到体积足够小、能提升离子传输速率，同时又能维持电解质稳定性的溶剂分子。
然而，这其中存在一个需要权衡的矛盾：离子传输速度越快，电解质往往越容易与电极发生反应，从而缩短电池寿命。Ju Li表示，"缩小溶剂体积提供了一条突破这一矛盾的新路径"。
如何找到兼具小体积与优异性能的溶剂？团队采用了"同族分子"策略——寻找与DMTMSA同属一类、分子结构相似的分子，期望在保留其稳定性优势的同时，找到体积更小的候选者。
麻省理工材料科学与工程专业博士生徐家玮借助AI辅助算法，在24小时内设计出10万个候选分子。他随后依据技术标准（包括与DMTMSA形状相似性及电子特性相当性）将范围缩小至200个，并从中选出27个具有代表性的候选分子进行实验测试。
"我们在相同条件下对所有候选分子进行了测试，以确保竞争公平。"Chen说。最终，一种名为DMFSA的溶剂脱颖而出——它不仅体积最小，综合性能也最为出色。
小即是美
麦吉尔大学材料工程副教授Jinhyuk Lee并未参与本研究，但他对这项工作给予了高度评价："这项研究解决了电池研究领域最顽固的难题之一：如何在不牺牲长期稳定性的前提下，提升快充快放性能。通过精准调控溶剂分子尺寸，研究人员展示了一种有望实现低成本、高性能电池的全新设计策略。"
团队的探索并未止步于此。目前，他们正以DMFSA（而非更大的DMTMSA）为新的起点，开展新一轮溶剂筛选。Chen相信，他们正在探索的新型溶剂，有望最终催生兼具低成本、快速充电和高功率输出的可充电钠金属电池，为更广泛的储能应用打开大门。
研究团队强调，这项工作的最终目标不仅仅是推进钠电池技术本身，更在于建立一种以溶剂尺寸和分子相似性为核心设计原则的电解质设计新方法。从这个角度看，钠金属电池是验证更具普遍意义设计原理的模型体系。
Jinhyuk Lee评论道："由于这一概念具有广泛适用性，其影响力有望远超钠电池领域，对未来各类储能技术的设计产生深远影响。"
本研究部分获得韩国政府资助的韩国国家研究基金会项目及美国国家科学基金会研究生奖学金的支持，项目所用表征设备部分来自麻省理工MIT.nano表征设施。
Q&A
Q1：钠金属电池相比锂离子电池有哪些优势？
A：钠的储量约为锂的1000倍，单位重量成本仅为锂的百分之一，因此钠金属电池在原材料成本和资源丰富度上具有显著优势。此外，钠金属电池不依赖钴、镍等关键矿物，可有效规避供应链风险。不过，钠金属化学性质活泼，如何同时实现长期稳定性与快速充放电，是该领域需要攻克的核心难题。
Q2：DMFSA溶剂为什么比其他溶剂更适合钠金属电池？
A：DMFSA是从10万个AI生成的候选分子中筛选出来的最优溶剂。它的分子体积在所有候选者中最小，能让钠离子在电极间更快速地移动，从而实现快速充放电。同时，DMFSA在正负两极均保持了良好的化学稳定性，不会因副反应产生积累物堵塞离子通道，因此兼顾了高性能与长循环寿命。
Q3：AI算法在这项电池研究中发挥了什么作用？
A：麻省理工博士生徐家玮开发了一套AI辅助算法，能够在24小时内自动设计并生成10万个候选溶剂分子。研究人员随后依据形状相似性、电子特性等技术标准，将范围缩小至200个，再精选27个进行实验验证。AI大幅提升了候选分子的筛选效率，使研究团队得以快速锁定最优溶剂DMFSA。