電解質(zhì)中溶劑分子的合理設(shè)計(jì)是調(diào)整溶解力的一個(gè)可行策略，包括減少O原子，縮短主烷基鏈，增加立體阻礙。盡管這些溶劑可表現(xiàn)出弱的溶解力，但不良的物理化學(xué)特性（低沸點(diǎn)＜60 ℃和高熔點(diǎn)＞0 ℃）給它們的實(shí)際應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。除了溶劑分子的調(diào)整，由于F的高電負(fù)性，氟化是調(diào)節(jié)對(duì)Li+溶解力的另一個(gè)關(guān)鍵策略。氟化溶劑不僅導(dǎo)致了陰離子衍生的SEI，極大地改善了電化學(xué)性能，而且還極大地提高了物理化學(xué)性能，允許在廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。盡管有這些進(jìn)展，溶劑中的高氟含量通常是以高成本、高密度和巨大的環(huán)境負(fù)擔(dān)為代價(jià)的。因此，設(shè)計(jì)與LMA兼容的弱溶解性溶劑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無氟化和寬的液相溫度范圍是非常可取的。

在此，華中科技大學(xué)謝佳教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新的分子設(shè)計(jì)，來調(diào)節(jié)無氟醚溶劑的溶解力和物理化學(xué)性質(zhì)。通過消除一個(gè)O原子和增加立體阻礙，所產(chǎn)生的環(huán)戊基甲基醚（CPME）的溶解力被明顯削弱。同時(shí)，CPME表現(xiàn)出較低的熔點(diǎn)和較高的沸點(diǎn)，分別在-140 ℃和106 ℃左右，顯示出寬溫應(yīng)用的巨大前景。即使是摩爾比為1:10的雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）：CPME，基于CPME的電解質(zhì)也表現(xiàn)出可控的溶劑化結(jié)構(gòu)，其中CIPs和AGG占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致陰離子衍生的、富含無機(jī)物的SEI，并實(shí)現(xiàn)了與LMA良好的兼容性（CE：99%）。進(jìn)一步優(yōu)化鹽的濃度，CE可以提高到99.4%。

此外，基于CPME的電解質(zhì)的性能在-20°C的Li-S電池中得到了進(jìn)一步的證明。此外，當(dāng)與商業(yè)LFP（負(fù)載：17.6mg cm^-2）結(jié)合時(shí)，使用所開發(fā)的電解質(zhì)的電池在400次循環(huán)中保持了初始容量的90%以上。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)具有弱溶解力和寬液相溫度范圍的無氟電解質(zhì)溶劑提供了一個(gè)新的方向，用于高性能的LMBs。

圖1. 溶劑化結(jié)構(gòu)分析

研究發(fā)現(xiàn)，消除一個(gè)O原子并利用立體效應(yīng)，可以使CPME的溶解力明顯減弱，理化性能大大改善。當(dāng)作為電解質(zhì)的單一溶劑時(shí)，在低鹽濃度下會(huì)誘發(fā)一種獨(dú)特的富含CIP和AGG的溶劑化結(jié)構(gòu)。受益于陰離子衍生的SEI，LiFSI-10CPME的CE達(dá)到了99%的高度。通過進(jìn)一步優(yōu)化鹽濃度，鋰-銅電池在長(zhǎng)期循環(huán)中表現(xiàn)出杰出的CE（350次循環(huán)后大于99.3%）。

此外，由于CPME的液相溫度范圍較寬，在-20℃時(shí)，Li-S電池在CPME基電解質(zhì)中獲得了優(yōu)異的電化學(xué)性能。有趣的是，Li||LFP(17.6 mg cm^-2)全電池在400次循環(huán)中能提供>90%的初始容量。這樣的分子設(shè)計(jì)為高性能鋰金屬電池提供了一個(gè)氟化以外的電解質(zhì)工程的新方向。

圖2. 全電池的電化學(xué)性能

Cyclopentylmethyl Ether, a Non-Fluorinated, Weakly Solvating and Wide Temperature Solvent for High-Performance Lithium Metal Battery, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202300771