電解質(zhì)中溶劑分子的合理設計是調(diào)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(diào)整，由于F的高電負性，氟化是調(diào)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(diào)節(jié)無氟醚溶劑的溶解力和物理化學性質(zhì)。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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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