?南开陈军：不对称溶剂调节结晶限制电解质实现全气候锂金属电池

南开大学陈军团队提出通过不对称溶剂调节结晶限制策略，开发出可在 -50℃ 至 +70℃ 宽温度范围内稳定运行的全气候锂金属电池电解质，解决了传统强极性溶剂在低温下易结晶的问题。 以下是具体研究内容：研究背景与问题可充电锂电池的液态电解质需在宽温度范围内保持液态以确保离子转移。传统强极性溶剂（如亚硫酸乙烯酯 ES，熔点 -17℃；碳酸氟乙烯酯 FEC，熔点 ~23℃）虽有利于室温以上安全运行，但在低温（≤ -40℃）下易结晶，导致电池性能下降。图1. 不对称溶剂全气候电解质的设计原理结晶限制策略的核心机制团队通过混合 ES 和 FEC 溶剂，利用低分子界面互作用和分子运动动力学的改变，抑制混合物在低温下的结晶。实验表明，当 FEC 含量为 10% 时（ES/FEC 比率优化），混合溶剂的凝固点显著降低，同时平衡了离子体相传输和界面传输能力。分子层面作用：ES 和 FEC 的不对称结构导致分子间作用力减弱，阻碍了低温下有序晶格的形成。动力学调控：混合溶剂的分子运动活性在低温下仍保持较高水平，避免完全凝固。全气候电解质的性能验证采用 1M LiClO?-ES/10%FEC 电解液的 LiNi?.?Mn?.?Co?.?O?||Li（NCM811||Li）全电池在宽温度范围内表现出色：低温性能：在 -50℃ 时容量保持率超过 66%（与室温相比），显著优于传统电解质。高温稳定性：在 +70℃ 下循环稳定性优异，未出现明显容量衰减。实际条件测试：NCM811||Li 软包电池在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 的条件下，循环稳定性极高。图2. 基于ES/FEC的电解质在不同温度下的电化学性能FEC 含量对性能的影响高 FEC 含量（40%）：有利于高温下的界面稳定性，同时支持电解质的低凝固点，但可能牺牲部分低温离子传导效率。低 FEC 含量（10%）：显著提升低温下的离子传导能力，但高温性能可能受限。团队通过优化 ES/FEC 比率（10% FEC），实现了宽温度范围内的综合性能平衡。研究意义与创新点理论突破：揭示了非对称溶剂效应在调节电解质凝固点中的关键作用，为设计全气候液态电解质提供了新方向。技术进展：结晶限制策略通过分子界面互作用和凝固动力学的协同调控，实现了能源密集型锂金属电池的宽温度范围应用。应用潜力：该电解质体系有望推动电动汽车、极地科考、航空航天等领域对极端温度电池的需求。研究结论陈军团队通过不对称溶剂设计，成功开发出一种全气候锂金属电池电解质（1M LiClO?-ES/10%FEC），在 -50℃ 至 +70℃ 范围内展现出卓越的电化学性能。这一成果为宽温度范围能源存储技术提供了重要的理论支撑和实践方案。参考文献Asymmetric Solvents Regulated Crystallization-Limited Electrolytes for All-Climate Lithium Metal Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023, DOI: 10.1002/anie.202310905