厦大《ACS AMI》：低温高倍率锂电池的局部高浓度电解质！_溶剂_金属

传统的锂电池由于去溶剂过程缓慢，无法在低温下良好工作，限制了其在低温领域的应用，而电解质的溶剂化调节对于克服这一障碍非常重要。厦门大学赵金保教授团队报道了一种基于四氢呋喃（THF）的局部高浓度电解质，该电解质具有独特的溶剂化结构和提高的迁移率的优点，使Li/锰酸锂（LMO）电池能够在室温下稳定循环（300次循环后容量保持率85.9%），且在高倍率下能稳定工作（在10C倍率下容量保持率69.0%）。此外，这种电解质表现出优异的低温性能，在-70°C下容量超过70%，并在-40°C下以1C循环200周后容量保持在72.5 mAh g−1（≈77.1%）。这项工作表明，溶剂化调节对电池在低温下的动力学有显著影响，并为未来的电解质设计提供了参考。相关研究成果以“Bifunctional Localized High-Concentration Electrolyte for the Fast Kinetics of Lithium Batteries at Low Temperatures”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.3c04747

传统锂离子电池（LIBs）在零度以下的环境中容量衰减严重，限制了其在电动汽车、极地探险、航空航天等领域的应用。为了在低温下增加能量，用锂金属取代石墨负极是将电池能量密度提高到更高水平的潜在方法。此外，锂金属的剥离-电镀机制比石墨负极表现出更好的动力学，石墨负极的嵌入机制被视为锂离子电池在零度以下的决定步骤。

尽管锂金属电池具有这些优点，但它们因与电解质的反应和循环过程中的大体积变化而导致库仑效率（CE）低，限制了它们的实际应用。当温度降至−30°C以下时，锂金属电池也会发生容量衰减和电压下降。这种现象可归因于电解质中Li+传输较慢和Li+通过固态电解质界面（SEI）的扩散较慢。一般来说，在低温下较慢的Li+传输可以通过添加低熔点溶剂作为助溶剂来缓解。候选溶剂有酯、醚、腈、亚硫酸盐等。

在最近的工作中，研究者认为缓慢的Li+去溶剂化过程是电池低温性能差的原因，这与锂离子与溶剂或阴离子的结合行为有关。先前的文献已经证实Li+/阴离子结合在改善锂金属负极的低温性能方面的优势。因此，通过上述分析，具有快速动力学的锂金属电池的理想低温电解质应满足以下标准：（1）与锂金属负极稳定，（2）在低温下低粘度和高导电性，（3）含有阴离子主导的溶剂化结构。研究者在设计合适的电解质以调节Li+的溶剂化行为以促进去溶剂化过程方面做出了许多努力。一种方法是选择与Li+具有较低溶剂化能力的溶剂。另一种方法，局部高浓度电解质（LHCE），似乎是解决低温问题的更好方案。LHCE中的含阴离子溶剂化结构被认为有利于电荷转移过程。此外，LHCE的低粘度有助于Li+在低温下在本体电解质中的扩散。

作者分享了一种局部高浓度四氢呋喃（THF）基电解质。THF因其较低的粘度（0.53 cP）、较低的熔点（−108°C）和对双（三氟甲烷磺酰基）酰亚胺锂（LiTFSI）的较高溶解度而被选为碱性溶剂。这种电解质在低温下比高浓度电解质具有更高的电导率和更低的粘度，有利于锂离子在低温环境中的扩散。这种高浓度电解质不仅具有高氧化电位，而且在溶剂化结构中具有更高的阴离子比例，可以促进电荷转移过程。为了进一步提高低温下的性能，选择稀释剂1，1，2，2-四氟乙基-2，2，3，3-四氟丙醚（HFE）并将其加入到HCE中，形成LHCE。HFE的引入不仅通过破坏HCE的3D网络来降低HCE的粘度，而且由于HFE与锂离子的弱结合能力而保持了HCE的溶剂化结构。这种LHCE结合了低浓度更好的迁移率和高浓度独特的溶剂化行为，有利于低温领域的应用。使用优化的5m-HFE41电解质，Li/LMO电池可以在室温下稳定循环，并表现出更好的高倍率性能。此外，使用这种电解质的电池在1C和−40°C下循环200后容量保持在72.5 mAh g−1（≈77.1%），当把倍率提高到5C时，它在低温下仍表现出优异的高倍率性能。这项工作展示了LHCE方法在低温领域的应用，可以为未来低温电解质的设计提供参考。（文：李澍）