現(xiàn)代鋰離子電池(LIBs)的可充電性在低溫下具有挑戰(zhàn)性，這主要是由于石墨負(fù)極面臨的障礙。

北京航空航天大學(xué)朱禹潔、華中科技大學(xué)吉曉等通過(guò)利用鋰-溶劑共嵌入石墨現(xiàn)象，提高了其低溫充電能力。

圖1. 電解液表征

通過(guò)合理的電解液設(shè)計(jì)（1.5 M LiOTF+0.2 M LiPF₆-DEGDME），這項(xiàng)工作表明在不完全剝離Li⁺的溶劑鞘層的情況下，Li-溶劑共嵌入過(guò)程使石墨能夠在-60 ?C下穩(wěn)定充放電，并保持其73.7%的室溫容量。

通過(guò)密度泛函理論計(jì)算輔助的一系列微觀、光譜和電化學(xué)研究，作者進(jìn)一步揭示了石墨在鋰-溶劑共嵌入時(shí)優(yōu)異的低溫性能的潛在機(jī)制。原位X射線衍射(XRD)和電子顯微鏡表征表明，石墨在鋰-溶劑共嵌入過(guò)程中具有高的結(jié)構(gòu)可逆性和強(qiáng)大的機(jī)械穩(wěn)定性，盡管它經(jīng)歷了大的層間膨脹。

透射電子顯微鏡(TEM)與X射線光電子能譜(XPS)相結(jié)合的結(jié)果證實(shí)，在配制的電解液中石墨上形成了非常薄的固體電解質(zhì)界面(SEI)層。與DFT模擬結(jié)果相結(jié)合的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，每個(gè)Li與一個(gè)溶劑分子可逆地共嵌入石墨中，在石墨夾層之間形成雙層Li-溶劑絡(luò)合物。

圖2. 石墨||鋰半電池的電化學(xué)性能

此外，作者還采用互補(bǔ)的電化學(xué)方法全面研究了鋰-溶劑共嵌入石墨的動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，Li-溶劑共嵌入過(guò)程具有界面電阻低、電荷轉(zhuǎn)移活化能?。▇0.23 eV atom^-1）和溶劑化鋰離子在石墨中幾乎與溫度無(wú)關(guān)的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)的特點(diǎn)，這與從DFT計(jì)算中獲得的非常低的擴(kuò)散勢(shì)壘（~0.09 eV atom^-1）很好地對(duì)應(yīng)。這些優(yōu)點(diǎn)賦予了共嵌入過(guò)程快速的動(dòng)力學(xué)和優(yōu)異的低溫性能。

最后，得益于配制電解液的高氧化穩(wěn)定性（> 5.0 V vs. Li+/Li），該電解液與商用高壓 LiNi_0.65Co_0.15Mn_0.2O₂(NCM)正極兼容，NCM||石墨全電池可保持58.3%的室溫容量，并且充放電性能穩(wěn)定?？傊@項(xiàng)工作表明，鋰-溶劑共嵌入石墨現(xiàn)象通常被認(rèn)為是有害的，但可以成為在超低溫下實(shí)現(xiàn)可充石墨基LIBs的替代且有效的方法。

圖3. NCM||石墨全電池性能

Rechargeable LiNi0.65Co0.15Mn0.2O2||Graphite Batteries Operating at -60 ?C. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202209619