電解質中溶劑分子的合理設計是調整溶解力的一個可行策略，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，但不良的物理化學特性（低沸點＜60 ℃和高熔點＞0 ℃）給它們的實際應用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。除了溶劑分子的調整，由于F的高電負性，氟化是調節(jié)對Li+溶解力的另一個關鍵策略。氟化溶劑不僅導致了陰離子衍生的SEI，極大地改善了電化學性能，而且還極大地提高了物理化學性能，允許在廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。盡管有這些進展，溶劑中的高氟含量通常是以高成本、高密度和巨大的環(huán)境負擔為代價的。因此，設計與LMA兼容的弱溶解性溶劑，同時實現(xiàn)無氟化和寬的液相溫度范圍是非常可取的。

在此，華中科技大學謝佳教授團隊提出了一種新的分子設計，來調節(jié)無氟醚溶劑的溶解力和物理化學性質。通過消除一個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，CPME表現(xiàn)出較低的熔點和較高的沸點，分別在-140 ℃和106 ℃左右，顯示出寬溫應用的巨大前景。即使是摩爾比為1:10的雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）：CPME，基于CPME的電解質也表現(xiàn)出可控的溶劑化結構，其中CIPs和AGG占主導地位，導致陰離子衍生的、富含無機物的SEI，并實現(xiàn)了與LMA良好的兼容性（CE：99%）。進一步優(yōu)化鹽的濃度，CE可以提高到99.4%。

此外，基于CPME的電解質的性能在-20°C的Li-S電池中得到了進一步的證明。此外，當與商業(yè)LFP（負載：17.6mg cm^-2）結合時，使用所開發(fā)的電解質的電池在400次循環(huán)中保持了初始容量的90%以上。這項工作為設計具有弱溶解力和寬液相溫度范圍的無氟電解質溶劑提供了一個新的方向，用于高性能的LMBs。

圖1. 溶劑化結構分析

研究發(fā)現(xiàn)，消除一個O原子并利用立體效應，可以使CPME的溶解力明顯減弱，理化性能大大改善。當作為電解質的單一溶劑時，在低鹽濃度下會誘發(fā)一種獨特的富含CIP和AGG的溶劑化結構。受益于陰離子衍生的SEI，LiFSI-10CPME的CE達到了99%的高度。通過進一步優(yōu)化鹽濃度，鋰-銅電池在長期循環(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，Li-S電池在CPME基電解質中獲得了優(yōu)異的電化學性能。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。這樣的分子設計為高性能鋰金屬電池提供了一個氟化以外的電解質工程的新方向。

圖2. 全電池的電化學性能

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