南开陈军Angew：不对称溶剂调节结晶限制的电解质实现全气候锂金属电池

能保持液态的电解质是确保可充电锂电池在宽温度范围内稳定运行并进行离子转移的最重要物理指标之一。一般认为，熔点高的强极性溶剂有利于电池在室温以上安全运行，但在低温（≤ -40℃）下容易结晶。

在此，南开大学陈军团队提出了一种结晶限制策略来解决电解质低温问题。研究证明，尽管亚硫酸乙烯(ES，-17 ℃)和碳酸氟乙烯(FEC，~23 ℃)的熔点较高。但由于低分子界面互作用和分子运动动力学的改变，它们的混合物可以避免在低温下结晶。

因此，合适的ES/FEC比率(10% FEC)可平衡离子的体传输和界面传输，从而使 LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂||Li (NCM811||Li)全电池在-50 ℃至+70 ℃的宽温度范围内具有出色的温度适应性和循环稳定性。与室温相比，该电池在-50 ℃时的容量保持率超过66%。NCM811||Li 软包电池在不同温度的实际条件下（电解液重量与正极容量比 (E/C)≤3.5 g Ah^-1，负极与正极容量比 (N/P)≤1.09）表现出很高的循环稳定性。

图1. 不对称溶剂全气候电解质的设计原理

总之，该工作通过调节分子界面互作用和凝固动力学成功地降低了具有不对称结构的强极性溶剂的凝固点。研究表明ES/FEC比率不仅能调节电解质的凝固点，还能显著影响锂金属电池的电化学性能。高FEC含量(40%)有利于高温下的界面稳定性并支持电解质的低凝固点，而低FEC含量(低于10%)则有利于低温下的离子传导。因此，生产出的全气候电解液，即 1M LiClO₄-ES/10%FEC。

结果显示，使用该种电解液的 Li||NMC811 全电池可在 -50 至 +70 ℃ 的宽温度范围内提供出色的电化学性能。因此，该项研究强调了设计全气候液态电解质的一个关键但容易被忽视的方向，即非对称溶剂效应。该工作提出的结晶限制策略代表了实现宽温度范围的能源密集型锂金属电池的重大理论进展。

图2. 基于ES/FEC的电解质在不同温度下的电化学性能

Asymmetric Solvents Regulated Crystallization-Limited Electrolytes for All-Climate Lithium Metal Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202310905

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