低温锂金属电池重大突破，电解液功效无可替代！

可充电锂离子电池(LIB)对于现代便携式电子设备在极端环境下的运行至关重要，在超低温度(−30℃或以下)下，电池能量密度的降低限制了电动汽车、海底、军事和国防设备以及太空探索的应用。原则上，这既可以通过提高电池的基准能量密度来实现，也可以通过改善电荷转移动力学来减轻低温下的能量损失。

为了改善前者，目前用锂金属来替代石墨，来获得更高的能量密度。然而，金属锂阳极循环稳定性较差，金属锂的高活性加上体积变化大，必然会产生低的库仑效率(CE)，限制了实际的循环性。另一方面，众所周知，LIBs和LMBs的容量保持和工作电压在−30℃以下时都会严重受损。这种性能下降归因于许多因素，包括离子在电解质中的传输阻抗增加，以及Li⁺通过固体电解质界面(SEI)的迁移。最重要的是，Li⁺去溶剂化被认为是主要的阻抗贡献者，并与界面上Li⁺/溶剂结合能相关。一般来说，通过使用低熔点和/或低极化率溶剂，新型盐添加剂以及最近的表面功能化，这些电阻已经被最小化，Gao等人证明了显著的Li可逆性，可降低到−15 °C。虽然已经取得了很大的进展，但直接改善脱溶动力学的方法在很大程度上还是未知的。

加州大学圣地亚哥分校Ping Liu，Zheng Chen和Tod A. Pascal （通讯作者）等人在Nature Energy发表最新的成果，建立了超低温循环下锂金属电池电解液溶剂化与金属锂沉积形貌的关系。

作者通过比较1M LiFSI/二乙醚（DEE）电解液和1M LiFSI/(DOL/DME)电解液的低温锂沉积行为，并结合理论计算，证明了电解质的局部溶剂化结构决定了超低温下的电荷转移行为，这对获得高锂金属库仑效率和避免枝晶生长至关重要。这些见解被应用于锂金属全电池，一个高载量的硫化聚丙烯腈(SPAN)正极（3.5 mAh cm⁻²）与锂金属阳极（正负极容量1：1）匹配，使用1M LiFSI/DEE电解液，在−40℃和−60℃循环时，其容量分别为室温下容量的84%和76%，循环50次后性能稳定。

本研究为超低温电池的运行设定了性能标准，并揭示了在分子水平上实现这一目标的关键电解质设计策略。

图1. 低温LMBs的操作方案及其电解质结构对超低温锂沉积的意义

图2. 金属锂在温和和超低温下的性能和表征

图3. 锂表面SEI与电解质离子电导率的研究

图4. 电解质结构的理论和实验分析

图5. 提出了电解质结构与脱溶剂化的关系

图6. 1× Li|| SPAN全电池在温和条件和超低温下的全电池性能

图7. 本工作的历史背景

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