王春生等，今日重磅Nature！

就在上周，2023年2月2日，Science上刚刚两连发了有关锂电池领域的文章()。

这不，Nature也不甘示弱，2月8日也发表了2023年首篇锂电池Nature。这样火爆的领域，怎能不让人垂涎欲滴呢？

广泛应用的LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ (NMC811)||石墨锂离子电池的理想电解质，有望具有支持较高电压(≥4.5伏)、快速充电(≤15分钟)、宽温度范围(±60℃)充电/放电而不镀锂和不可燃性的能力。

遗憾的是，目前尚发现现有的电解质，能同时满足以上所有这些要求。电解质设计，受到缺乏有效指导原则的阻碍，该原则可以解决电池性能、溶剂化结构和固体-电解质间相化学之间的关系。

在此，来自美国陆军研究局的Oleg Borodin & 美国马里兰大学的王春生等研究者报告并验证了一种基于一组软溶剂的电解质设计策略，该策略在弱Li⁺-溶剂相互作用、足够的盐解离和所需的电化学之间取得平衡，可同时满足所有上述要求。相关论文以题为“Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions”于2023年02月08日发表在Nature上。

基于碳酸酯的最先进的电解质，无法满足极端锂(Li)离子电池(LIBs)的大部分要求，因为它们的电压窗口限制在4.3 V，它们的工作温度范围为−20°C至+50°C，并且高度易燃。

此前，通过引入一系列具有低冰点的助溶剂(如线性羧酸酯和醚类)来降低电解质的冰点，从而实现了低温操作。然而，这些酯类和醚类较窄的电化学稳定性为1.5-4.7 V(相对于Li⁺/Li)设置了电池电压的上限。

最近，通过液化气体电解质在低温电池方面取得了突破，即使在- 60°C下也能保持60%以上的室温容量，但这些挥发性溶剂的低沸点要求在气体液化所需的压力下重新设计密封电池。

除离子电导率外，界面/间相电阻在低温下占主导地位，这要求电解质具有较低的Li⁺脱溶能。由于−20℃以下的大电荷转移和低离子电导率的共同作用，过高的过电位降低了石墨表面的可达容量，导致石墨表面镀Li⁰。

石墨表面镀Li⁰加速了容量衰减，库仑效率(CE)降低到99.5%以下。此外，锂枝晶的生长可能使电池变短，存在安全隐患。为了避免在低温下在石墨上镀Li⁰，一种常见的做法是在商业LIBs中使用相对较高的负/正(N/P)容量比，这以牺牲整体能量密度为代价确保更好的安全性。

然而，由于石墨负极和NMC811正极之间的充放电动力学不同，在快速充电或极低温(小于- 20°C)下仍可能出现Li枝晶。由于电极的充放电动力学在很大程度上由界面相控制，理想的低温电解质应在两个电极上形成动力学匹配的界面相，以在不同温度和电流下实现低且等效的过电位。

在此，研究者报告并验证了一种基于一组软溶剂的电解质设计策略，该策略在弱Li⁺ -溶剂相互作用、足够的盐解离和所需的电化学之间取得平衡，以满足所有上述要求。

值得注意的是，4.5伏NMC811||石墨硬币电池的面积容量超过2.5 mAh/cm²，当这些电池在- 50℃(- 60℃)以0.1C的C速率充放电时，保留了75%(54%)的室温容量。而NMC811||石墨袋电池与低电解质(2.5克每安培小时)在−30℃下实现稳定的循环，平均库仑效率超过99.9%。

综合分析进一步揭示了NMC811正极与石墨负极之间的阻抗匹配，这是由于形成了相似的富氟化锂界面，从而有效地避免了低温镀锂。这种电解质设计原则，可以推广到在极端条件下工作的其他碱金属离子电池。

图1 电解液设计策略

图2 电解质的物理性质

图3 NMC811||石墨全电池的电化学性能

图4 −30℃循环后石墨负极上SEI层的表征

综上所述，研究者报告了在极端条件下工作的高能电池的电解质设计原则。该原理的核心是识别具有相对较低DN(小于10)和高介电常数(大于5)值的溶剂，这将最小化Li⁺-溶剂结合能，同时仍能解离锂盐。

在电解液中添加具有高还原电位的组分，可以在负极和正极上形成类似的富锂界面相，从而促进负极和正极上相似的锂化/脱锂动力学。负极和正极的热力学(容量)和动力学(阻抗)匹配使NMC811||石墨电池具有快速充电和宽使用温度范围的能力，无需镀锂。

作为概念的证明，合理设计的1 M LiTFSI MDFA/ MDFSA-TTE电解质，能够在负极和正极上形成自限制的富LiF界面相，从而在极端条件下也能实现容量和阻抗匹配。4.5 V NMC811||石墨全电池的实际面积容量超过2.5 mAh cm^-2，可以有效地在广泛的温度范围内工作(−60°C至+60°C)。

值得注意的是，实用袋电池在300次循环中保持超过83%的室温容量，在−30°C下的平均CE超过99.9%。该设计原理为高电压、快速充电和宽温度工作电池开辟了方向。

作者简介

王春生是美国马里兰大学化学与生物分子工程系Robert Franklin 和 Frances Riggs Wright杰出讲座教授、ACS Applied Energy Materials《应用能源材料》副主编、马里兰大学—陆军实验室（UMD-ARL）极限电池研究中心主任。

王春生教授于1995年在浙江大学材料科学与工程系获得博士学位，随后在美国德州农工大学和田纳西理工大学担任教职，2007年开始在马里兰大学任教授。

研究工作主要集中在新型二次电池和燃料电池领域，已在Science、Nature、Nature Mater.、Nature Chem.、Nature Energy、Nature Nanotech.、Nature Comm.等顶尖期刊上发表论文两百余篇，论文被引用超过57111次。

2013年获美国马里兰大学詹姆斯·克拉克工程学院青年教师杰出研究奖，自2018年以来为科睿唯安（Clarivate）全球高被引学者，2015年和2021年两次获得马里兰大学年度最佳发明奖。2021年获得ECS Battery Division Research Award。课题组主页为：http://cswang.umd.edu/。

文献信息

Xu, J., Zhang, J., Pollard, T.P. et al. Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05627-8

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05627-8

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王春生等，今日重磅Nature！

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