复旦夏永姚/董晓丽Acc. Chem. Res.：推广低温可充电池

构建用于零下温度应用的可充电池对各种特定应用（包括电动汽车、电网储能、国防/太空/海底探索等）的要求很高。商业化的非水锂离子电池一般适应-20℃以上的温度，在较冷的条件下不能很好地满足要求。

新生材料和电解质系统已经取得了一定的进步，但主要是限制在-40°C以上的温度下放电和小倍率。此外，基于石墨负极的电池的充电过程仍然面临着在零下温度时同时嵌入锂离子和潜在锂剥离的巨大挑战。揭示物理化学和电化学性质的温度依赖性演变将极大地有助于理解低温下的限制因素。

复旦大学夏永姚、董晓丽等人剖析了液态电解质和固态电极中的离子运动以及它们的界面，以分析充放电过程中温度对Li⁺扩散行为的影响。

电解质是至关重要的因素，其离子导电性保证了电池的平稳运行。然而，正是固体中的缓慢扩散，尤其是固态电解质/电极界面（SEI）处的电荷转移，极大地限制了低温下的动力学。已经提出了许多策略来驯服电解质以用于低温应用。

从宏观上看，混合多种溶剂来调节液体温度范围和粘度。关于微观性质，研究重点是通过制定锂离子与溶剂分子的比率来研究溶剂化结构。Li⁺-溶剂复合物的结合能对于低温下的去溶剂化过程至关重要，该过程由氟化溶剂或其他弱溶剂化电解质控制。

图1（a）充电过程中锂离子运动的示意图。影响（b）离子导电性和（c）锂离子在固体界面和电极中扩散途径的因素

在优化电解质的基础上，电极及其反应机制需要仔细耦合，因为不同的材料对温度变化表现出完全不同的响应。为避免在本体插层化合物中缓慢的去溶剂化过程或缓慢的扩散，作者总结了几种用于低温使用的材料。

插层赝电容行为可以在一定程度上补偿动力学，金属负极是替代石墨负极以在零下温度构建高能量密度电池的良好候选者。基于溶剂分子与电极的共嵌入来开发新生电池化学也是一个明智的选择。

此外，界面电阻在低温下影响很大，需要对其进行改性以加速Li⁺在薄膜上的扩散。这将与电解质联系起来，准确地说，是溶剂化结构，以调节有机和无机成分以及结构。尽管由于石墨负极在低温下的性能较差，很难对其进行 SEI研究，但对锂金属负极的研究已经提供了一些有价值的信息作为参考。

值得一提的是，低温性能的提升不仅需要单一成分的改变，更需要整个电池各部分的协同作用。该报告中所涵盖的基础研究可作为深入了解一些有助于推进低温电池化学的关键策略。

图2 不同盐浓度下溶剂化鞘层的表征

Promoting Rechargeable Batteries Operated at Low Temperature. Accounts of Chemical Research 2021. DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00420

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