四大实验室联手Angew：低极性溶剂电解质策略拓宽锂电池使用温度

研究背景

近年来，由于锂离子电池（LIBs）成本降低和能量密度提高，LIBs越来越多地用于为电动汽车（EV）提供动力。其在电动汽车中的应用对锂离子电池的要求远比消费电子产品严格：更高的能量密度，更长的行驶里程，更高的安全性，与快速充电兼容性，以及更宽工作温度范围（-30 °C~55 °C）等。迄今为止，最后两个要求已被证明是实现大型电动汽车应用最紧迫且最具挑战性的目标。室温下快速充电和在低温下运行的挑战有一个共同要求，均与Li⁺在电解质和电极/电解质界面（EEI）中和跨体传输限制有关，很大程度上取决于电解质和EEI的离子电导率，以及对Li⁺从电解质溶剂中去溶剂化能力。因此，电解质工程对于开发能够快速充电和在低温下运行的高性能LIBs至关重要。

在过去几年里，人们在提高低温电解质离子电导率，及修饰EEI组分以优化其对锂金属负极LIBs的稳定性和耐受性等方面做出重要努力。目前，尚未有具体电解质参数/体系可有效降低电荷转移电阻（R_ct），并使NMC811||石墨电池能够在低温下充电和放电，同时在宽温度范围内保持良好的性能和高容量保持和长循环寿命。为实现实用的低温NMC811||石墨电池，电解质应满足以下所有要求：

（1）在低温和高温下均保持液态；

（2）具有>10^-3 S cm^-1的高Li⁺电导率和高转移数（>0.4）；

（3）在>4.5 V电压下保持氧化稳定；

（4）能够在负极上形成薄而坚固的富含无机物的固体电解质界面（SEI），在正极上形成正极电解质界面（CEI），对提高电池循环稳定性和增强EEI中的Li⁺传输动力学至关重要；

（5）具有快速的Li⁺从电解质中去溶剂化的动力学，这是增加R_ct的主要因素，但最难实现。

因此，本工作介绍了一种简单的电解质体系，即低极性溶剂电解质（LPSE），它可以很好地满足上述所有特性，该体系可以通过高比例的接触离子对（CIPs）和聚集体（AGGs）促进阴离子分解产生富含无机物的EEI，有助于电池稳定性和锂离子在其中的传输。同时，它特别强调溶剂分子和Li⁺之间弱离子-偶极相互作用的重要性，对于降低电荷转移过程中活化能和电阻至关重要。

成果简介

近期，马里兰大学王春生教授联合罗德岛大学Lucht教授，布鲁克海文国家实验室杨晓青教授以及美国陆军研究实验室许康教授（共同通讯）在Angew上发表了题为“Enhancing Li⁺ Transport in NMC811||Graphite Lithium-Ion Batteries at Low temperatures by Using Low-Polarity-Solvent Electrolytes”的文章，该工作主要提出了一种改善LiNi_xCo_yMn_zO₂（x+y+z=1）||石墨锂离子电池体系低温性能的新策略，即选用与Li⁺之间具有弱相互作用的低极性溶剂电解质来降低电荷转移电阻（R_ct），在0 °C以下实现Li⁺的快速传输。以2.0 M LiFSI-EMC/TTE为例，该电解质可以使LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂||石墨在-40 °C时维持室温容量的78%，该工作对开发宽温度范围使用锂离子电池体系具有指导意义。