低溫嚴(yán)重影響了鋰離子電池的性能，這要求電解質(zhì)具有較寬的流動(dòng)性范圍、促進(jìn)離子擴(kuò)散和較低的去溶劑化能。關(guān)鍵在于在Li+與溶劑分子之間建立溫和的內(nèi)部相互作用，而這在以碳酸乙烯酯為基礎(chǔ)的商用電解質(zhì)中很難實(shí)現(xiàn)。
在此，湖南大學(xué)劉繼磊團(tuán)隊(duì)定制了具有低ε溶劑主導(dǎo)配位的溶劑化結(jié)構(gòu)，并通過(guò)調(diào)節(jié)羰基氧的電負(fù)性釋放了碳酸乙烯酯。改性后的電解質(zhì)在 -90 ℃ 時(shí)具有很高的離子電導(dǎo)率（1.46 mS cm-1），在 -110 ℃ 時(shí)保持液態(tài)。因此，基于石墨的 4.5 V 軟包電池在 -10 ℃ 下循環(huán) 200 次可達(dá)到約 98% 的容量，且無(wú)鋰枝晶生成。這些電池在-70 ℃時(shí)還能保持約60%的室溫放電容量，甚至在25 ℃充滿電后，在約100 ℃時(shí)仍能奇跡般地保持放電功能。
圖1. 去溶劑化行為及其對(duì)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)的影響
總之，該工作利用傳統(tǒng)的 EC 型電解質(zhì)展示了一種溶解設(shè)計(jì)策略，以改善鋰離子電池的低溫性能。通過(guò)引入含氟共溶劑削弱了EC與Li+的強(qiáng)配位，實(shí)現(xiàn)了從EC主導(dǎo)的溶劑化結(jié)構(gòu)到DEC主導(dǎo)的溶劑化結(jié)構(gòu)的氟依賴性轉(zhuǎn)變，尤其是在低溫條件下。這種設(shè)計(jì)有利于Li+的去溶劑化解，同時(shí)又保持了EC的高介電特性。此外，含氟助溶劑還有助于形成富含氟的SEI，從而增強(qiáng)了石墨負(fù)極在低溫條件下的穩(wěn)定性。
因此，該電解質(zhì)具有更寬的流動(dòng)性范圍（-110 ℃時(shí)保持液體狀態(tài)）、更好的導(dǎo)電性（-90 ℃時(shí)為1.46 mS cm-1）、更簡(jiǎn)便的去溶劑化過(guò)程以及抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。結(jié)果顯示，1 Ah 4.5 V 石墨基軟包電池能在 -10 ℃ 下穩(wěn)定循環(huán) 200 個(gè)周期，容量損失僅為 2%，在 -60 ℃ 下充放電一個(gè)周期時(shí)仍能保持 334 mAh 的容量。此外，該電池在-70 ℃放電時(shí)仍能保持室溫容量的60%，在25 ℃充電后還能在約-100 ℃的極低溫度下為電子設(shè)備供電。因此，該項(xiàng)工作涉及一種溶解設(shè)計(jì)策略和基于傳統(tǒng)EC的電解質(zhì)，為開(kāi)發(fā)適用于極端環(huán)境的鋰離子電池提供了一種獨(dú)特的方法。
圖2.使用設(shè)計(jì)電解質(zhì)和普通電解質(zhì)的商用鈷酸Li/石墨（LCO/Gr）和鎳鈷錳酸Li/石墨（NCM811/Gr）軟包電池的低溫性能
Breaking solvation dominance of ethylene carbonate via molecular charge engineering enables lower temperature battery, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-43163-9
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