朱禹洁/吉晓Angew：超低温！-60˚C下稳定充放电的NCM||石墨电池！

现代锂离子电池(LIBs)的可充电性在低温下具有挑战性，这主要是由于石墨负极面临的障碍。

北京航空航天大学朱禹洁、华中科技大学吉晓等通过利用锂-溶剂共嵌入石墨现象，提高了其低温充电能力。

图1. 电解液表征

通过合理的电解液设计（1.5 M LiOTF+0.2 M LiPF₆-DEGDME），这项工作表明在不完全剥离Li⁺的溶剂鞘层的情况下，Li-溶剂共嵌入过程使石墨能够在-60 ˚C下稳定充放电，并保持其73.7%的室温容量。

通过密度泛函理论计算辅助的一系列微观、光谱和电化学研究，作者进一步揭示了石墨在锂-溶剂共嵌入时优异的低温性能的潜在机制。原位X射线衍射(XRD)和电子显微镜表征表明，石墨在锂-溶剂共嵌入过程中具有高的结构可逆性和强大的机械稳定性，尽管它经历了大的层间膨胀。

透射电子显微镜(TEM)与X射线光电子能谱(XPS)相结合的结果证实，在配制的电解液中石墨上形成了非常薄的固体电解质界面(SEI)层。与DFT模拟结果相结合的进一步实验测试表明，每个Li与一个溶剂分子可逆地共嵌入石墨中，在石墨夹层之间形成双层Li-溶剂络合物。

图2. 石墨||锂半电池的电化学性能

此外，作者还采用互补的电化学方法全面研究了锂-溶剂共嵌入石墨的动力学。结果表明，Li-溶剂共嵌入过程具有界面电阻低、电荷转移活化能小（~0.23 eV atom^-1）和溶剂化锂离子在石墨中几乎与温度无关的化学扩散系数的特点，这与从DFT计算中获得的非常低的扩散势垒（~0.09 eV atom^-1）很好地对应。这些优点赋予了共嵌入过程快速的动力学和优异的低温性能。

最后，得益于配制电解液的高氧化稳定性（> 5.0 V vs. Li+/Li），该电解液与商用高压 LiNi_0.65Co_0.15Mn_0.2O₂(NCM)正极兼容，NCM||石墨全电池可保持58.3%的室温容量，并且充放电性能稳定。总之这项工作表明，锂-溶剂共嵌入石墨现象通常被认为是有害的，但可以成为在超低温下实现可充石墨基LIBs的替代且有效的方法。

图3. NCM||石墨全电池性能

Rechargeable LiNi0.65Co0.15Mn0.2O2||Graphite Batteries Operating at -60 ˚C. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202209619