谢佳教授Angew.：环戊基甲基醚，用于高性能锂金属电池的非氟化弱溶剂化宽温溶剂

电解质中溶剂分子的合理设计是调整溶解力的一个可行策略，包括减少O原子，缩短主烷基链，增加立体阻碍。尽管这些溶剂可表现出弱的溶解力，但不良的物理化学特性（低沸点＜60 ℃和高熔点＞0 ℃）给它们的实际应用带来了巨大的挑战。除了溶剂分子的调整，由于F的高电负性，氟化是调节对Li+溶解力的另一个关键策略。氟化溶剂不仅导致了阴离子衍生的SEI，极大地改善了电化学性能，而且还极大地提高了物理化学性能，允许在广泛的温度范围内稳定运行。尽管有这些进展，溶剂中的高氟含量通常是以高成本、高密度和巨大的环境负担为代价的。因此，设计与LMA兼容的弱溶解性溶剂，同时实现无氟化和宽的液相温度范围是非常可取的。

在此，华中科技大学谢佳教授团队提出了一种新的分子设计，来调节无氟醚溶剂的溶解力和物理化学性质。通过消除一个O原子和增加立体阻碍，所产生的环戊基甲基醚（CPME）的溶解力被明显削弱。同时，CPME表现出较低的熔点和较高的沸点，分别在-140 ℃和106 ℃左右，显示出宽温应用的巨大前景。即使是摩尔比为1:10的双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）：CPME，基于CPME的电解质也表现出可控的溶剂化结构，其中CIPs和AGG占主导地位，导致阴离子衍生的、富含无机物的SEI，并实现了与LMA良好的兼容性（CE：99%）。进一步优化盐的浓度，CE可以提高到99.4%。

此外，基于CPME的电解质的性能在-20°C的Li-S电池中得到了进一步的证明。此外，当与商业LFP（负载：17.6mg cm^-2）结合时，使用所开发的电解质的电池在400次循环中保持了初始容量的90%以上。这项工作为设计具有弱溶解力和宽液相温度范围的无氟电解质溶剂提供了一个新的方向，用于高性能的LMBs。

图1. 溶剂化结构分析

研究发现，消除一个O原子并利用立体效应，可以使CPME的溶解力明显减弱，理化性能大大改善。当作为电解质的单一溶剂时，在低盐浓度下会诱发一种独特的富含CIP和AGG的溶剂化结构。受益于阴离子衍生的SEI，LiFSI-10CPME的CE达到了99%的高度。通过进一步优化盐浓度，锂-铜电池在长期循环中表现出杰出的CE（350次循环后大于99.3%）。

此外，由于CPME的液相温度范围较宽，在-20℃时，Li-S电池在CPME基电解质中获得了优异的电化学性能。有趣的是，Li||LFP(17.6 mg cm^-2)全电池在400次循环中能提供>90%的初始容量。这样的分子设计为高性能锂金属电池提供了一个氟化以外的电解质工程的新方向。

图2. 全电池的电化学性能

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