【儀表網 研發快訊】新能源汽車、電網儲能、極地科考、深空探測等領域的發展，對儲能電池的能量密度和低溫性能提出了更高的要求。近年來，高理論比容量的金屬鋰作為負極的鋰金屬電池成為最有前景的高能量密度電池體系之一。然而，由于傳統酯基電解液中，鋰離子與溶劑存在強相互作用，使得鋰離子的遷移速度慢和電極/電解液界面穩定性差，限制了鋰金屬電池在低溫環境的應用。
近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部新型電化學儲能與器件團隊提出了電解液中的氧鍵設計策略，實現了鋰金屬電池在低溫環境下優異的性能。研究發現電解液溶劑氧鍵的鍵能與離子配位、界面傳輸性能緊密相關，經過大量篩選，獲得了弱氧鍵的四氫呋喃基醚類溶劑，并闡明了不同氧鍵的砜(S=O)、酯(C=O)、醚(C-O)類溶劑對電解液結構和溫度適應性的影響規律。在此基礎上，利用氫氟醚共溶劑與醚類溶劑分子間的氫鍵作用，削弱鋰離子與四氫呋喃基醚類溶劑中氧配體的相互作用，構建了低溫穩定的電解液結構，顯著提高了電極/電解液界面反應動力學和界面穩定性。基于上述策略設計的低溫電解液，實現了鋰金屬電池在室溫、零下20℃和零下40℃環境下循環150圈均無明顯壽命衰減，是目前文獻報道中低溫循環最穩定的鋰金屬電池之一，還可構建安時級高性能鋰金屬電池，為低溫鋰電池用電解液設計提供了新思路。
該研究成果“Designing Temperature-Insensitive Solvated Electrolytes for Low-Temperature Lithium Metal Batteries”以封面論文發表于《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)期刊，DOI: 10.1021/jacs.4c01735。中國科學院金屬研究所樸楠副研究員為論文第一作者，浙江大學博士生王金澤為論文共同第一作者，中國科學院金屬研究所李峰研究員為論文通訊作者。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院先導專項、中國博士后科學基金和遼寧省科技計劃等項目的資助。
圖1.低溫電解液的設計。
圖2. 低溫鋰金屬電池的性能。
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