圖1. 電解液的溶劑化鞘層結(jié)構(gòu)表征

鋰金屬電池(Li-metal batteries, LMBs)由于具備高理論能量密度被譽(yù)為下一代二次電池的“圣杯”。盡管如此，我們不得不面對(duì)LMBs在實(shí)際工作環(huán)境中所面臨的困境，特別是在惡劣的0 ℃以下條件。

在超低溫下運(yùn)行的LMB將很容易由于一系列的負(fù)面影響而失效，如緩慢的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，不均勻的鋰沉積行為，以及常規(guī)電解質(zhì)較差的流動(dòng)性等。具體來(lái)說(shuō)，為了提高鋰金屬電池體系的能量密度和抑制低溫下的能量衰減，體相電解質(zhì)扮演著相當(dāng)關(guān)鍵的位置。

近日中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的張易寧團(tuán)隊(duì)首次提出了一種以四氫呋喃作為主體溶劑的局部飽和電解液(Tb-LSCE)，該電解液很好解決了LMBs不穩(wěn)定的鋰-電極/電解質(zhì)相界面(LEI)問(wèn)題、鋰沉積行為的均勻性問(wèn)題以及在超低溫下的放電阻礙問(wèn)題。

傳統(tǒng)LMB電解液的設(shè)計(jì)思路通常聚焦在以乙二醇二甲醚為代表的鏈狀醚上，盡管鋰主體的兼容性得到改善，但多Lewis acid結(jié)合位點(diǎn)也帶來(lái)了低溫下Li⁺較差的去溶劑化行為。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)單Lewis acid結(jié)合位點(diǎn)的四氫呋喃不僅具有中等的介電常數(shù)還擁有較低的Li⁺去溶劑化能，保證了Li⁺良好絡(luò)合能力的同時(shí)，具備高效的去溶劑化能力。此外，四氫呋喃還具有超低熔點(diǎn)(-108.5 ℃)，低粘度(0.55 mPa·S, 20 ℃)，低密度(0.89 g·mL^-1, 20 ℃)，低成本(~48 €·L^-1)等一系列優(yōu)勢(shì)。

基于此，該團(tuán)隊(duì)首次利用四氫呋喃作為主溶劑并結(jié)合局部高濃度電解液的設(shè)計(jì)理念提出了Tb-LSCE這一高性能電解液，反溶劑1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚的加入進(jìn)一步的促進(jìn)了Li⁺的去溶劑化，降低了FSI^–的本征LUMO值，優(yōu)化了原本電解液的溶劑化鞘層結(jié)構(gòu)，協(xié)同陰離子FSI^–共同調(diào)控了LEI的界面化學(xué)（圖1）。

搭載Tb-LSCE的Li-Li對(duì)稱電池在30 ℃和-30 ℃條件下能夠分別穩(wěn)定地沉積-溶解超過(guò)1600小時(shí)和1100小時(shí)；30 ℃下Li-Cu對(duì)稱電池也達(dá)到了驚人的99.7%百圈平均庫(kù)倫效率。組裝的Li-NCM523全電池展現(xiàn)了優(yōu)異的低溫性能（在-30 ℃下能夠放出73.3%的室溫容量）以及長(zhǎng)周期循環(huán)可逆性（0.3 C協(xié)議下160次循環(huán)，80.7%容量保留），超高正極負(fù)載量19.7 mAh g^-1下也能保證50圈內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行(0.3 C協(xié)議下50個(gè)周期內(nèi)僅犧牲1.7%的容量)。?

這項(xiàng)工作概述了一種低成本并且高效的電解液設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了極端低溫條件下激活實(shí)用的鋰金屬電池，為鋰金屬電池電解液工程貢獻(xiàn)了寶貴設(shè)計(jì)思路和理論背景。

這一相關(guān)工作近期發(fā)表于能源領(lǐng)域頂級(jí)雜志Energy Storage Materials上，文章的第一作者為碩士研究生林源盛，通訊作者為張易寧研究員。

此外，該團(tuán)隊(duì)先前也致力于磷酸鐵鋰(LFP)鋰金屬電池局部高濃度電解液的探索，設(shè)計(jì)的高性能電解液同時(shí)解決了LFP正極/電解液界面和Li負(fù)極/電解液界面的問(wèn)題（“一石二鳥(niǎo)”），組裝的Li-LFP全電池在高倍率充放電條件下能夠穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)4000次，為L(zhǎng)FP鋰金屬電池體系的穩(wěn)定快充提供了可能。相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Colloid and Interface Science上，第一作者為碩士研究生林源盛，通訊作者為張易寧研究員。

DOI:?10.1016/j.jcis.2022.08.018

標(biāo)題：Activating Ultra-low Temperature Li-metal Batteries by Tetrahydrofuran- based Localized Saturated Electrolyte

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.03.026