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為下一代二次電池的“圣杯”。盡管如此，我們不得不面對LMBs在實際工作環(huán)境中所面臨的困境，特別是在惡劣的0 ℃以下條件。

在超低溫下運行的LMB將很容易由于一系列的負面影響而失效，如緩慢的電荷轉(zhuǎn)移動力學，不均勻的鋰沉積行為，以及常規(guī)電解質(zhì)較差的流動性等。具體來說，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)扮演著相當關(guān)鍵的位置。

近日中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的張易寧團隊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)問題、鋰沉積行為的均勻性問題以及在超低溫下的放電阻礙問題。

傳統(tǒng)LMB電解液的設(shè)計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)合位點也帶來了低溫下Li⁺較差的去溶劑化行為。

該團隊發(fā)現(xiàn)單Lewis acid結(jié)合位點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，具備高效的去溶劑化能力。此外，四氫呋喃還具有超低熔點(-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。

基于此，該團隊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一步的促進了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（圖1）。

搭載Tb-LSCE的Li-Li對稱電池在30 ℃和-30 ℃條件下能夠分別穩(wěn)定地沉積-溶解超過1600小時和1100小時；30 ℃下Li-Cu對稱電池也達到了驚人的99.7%百圈平均庫倫效率。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），超高正極負載量19.7 mAh g^-1下也能保證50圈內(nèi)平穩(wěn)運行(0.3 C協(xié)議下50個周期內(nèi)僅犧牲1.7%的容量)。?

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

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，該團隊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)計的高性能電解液同時解決了LFP正極/電解液界面和Li負極/電解液界面的問題（“一石二鳥”），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4000次，為LFP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