非共嵌入醚基弱溶劑化電解質設計實現(xiàn)低溫快充鋰離子電池 | 進展

磷酸鐵鋰（LiFePO?, LFP）||石墨（Gr）電池因高安全性、長循環(huán)壽命及低成本優(yōu)勢，在儲能和動力電池領域占據(jù)主導地位 。然而，該體系在低溫（< -10 ℃）及高倍率（> 3 C）條件下性能急劇惡化，表現(xiàn)為容量顯著衰減、極化電壓增大及析鋰風險 。這主要歸因于低溫下緩慢的去溶劑化動力學與界面Li?傳輸受阻 。傳統(tǒng)碳酸酯基電解質（如EC）熔點高，低溫下易凝固或粘度劇增；而低熔點的線性碳酸酯雖能改善流動性，但其與Li?的強配位作用導致去溶劑化能壘過高，且在石墨表面形成的富含有機組分的SEI膜阻礙了離子快速傳輸 。因此，開發(fā)兼具低凝固點、弱溶劑化特性且能抑制溶劑共嵌入石墨的新型電解質，對于提升LFP||Gr電池在極端環(huán)境下的性能至關重要 。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心王雪鋒特聘研究員與蘇州大學程濤教授、北京科技大學李葉晶副教授團隊合作，開發(fā)出一種基于2-甲基四氫呋喃（2MT）與氟代碳酸乙烯酯（FEC）的非共嵌入弱溶劑化電解質（LMFE），解決了上述難題 。首先，研究團隊利用DFT計算篩選出與Li?結合能較弱的醚類溶劑2MT，其分子中的甲基基團產(chǎn)生了關鍵的空間位阻效應，有效抑制了溶劑分子在石墨層間的共嵌入行為，克服了傳統(tǒng)醚類溶劑（如THF）易導致石墨剝離的問題 。其次，該電解質體系（1.5 M LiFSI in 2MT:FEC）具有極低的凝固點（-117.67 ℃），在-60 ℃的極寒環(huán)境下仍保持液態(tài)，保障了離子的快速遷移 。更重要的是，拉曼光譜與分子動力學模擬證實，該體系形成了陰離子主導的溶劑化結構，顯著降低了Li?的去溶劑化能壘。此外，該電解質誘導石墨表面形成了厚度僅約13 nm且均勻的富無機SEI膜（富含LiF、Li?N、Li?CO?、Li?O），這種界面具有高離子電導率，有效降低了界面阻抗并抑制了鋰枝晶生長 。得益于此，LFP||Gr全電池在-30 ℃下循環(huán)300周后容量保持率達90.36%，并實現(xiàn)了5C高倍率快充。本研究通過溶劑分子結構設計與界面調(diào)控，為極端環(huán)境下的高性能鋰離子電池提供了全新的電解質解決方案。

圖1? ?LMFE與BE去溶劑化過程及界面Li?傳輸示意圖

相關成果以“Weakly-Solvated and Co-Intercalation-Free Ether-Based Electrolytes Enhance the Low-Temperature and Fast-Charging Performance of LiFePO?||Graphite Batteries”為題發(fā)表在國際期刊Angewandte Chemie International Edition上。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委和中國科學院等項目的資助 。

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