苏州纳米所吴晓东团队许晶晶等与国家纳米科学中心魏志祥团队合作ACS Nano：无共嵌醚基弱溶剂化电解液实现快充和宽温区锂离子电池

随着电力驱动的新能源汽车的快速发展和普及，对动力储能电池技术提出了更高的要求，下一代锂离子电池技术需要满足高功率快充和宽温度应用需求。然而，传统碳酸酯类电解液由于凝固点较高以及界面脱溶剂化行为较慢的限制，导致锂离子电池在快速充放电和低温条件下的容量表现不佳。相比之下，醚类溶剂具有更低的凝固点和低的粘度，被认为具有改善锂离子电池低温性能的潜力。不过，传统的醚类溶剂（例如乙二醇二甲醚DME）与锂离子间的结合能力很高，导致在充放电过程中难以实现快速的脱溶剂化过程。结果，这类醚类溶剂会和锂离子一起共嵌入到石墨层状结构中，从而破坏了石墨结构，难以有效应用于锂离子电池系统。

针对以上问题，中国科学院苏州纳米所吴晓东研究员团队许晶晶项目研究员等与国家纳米科学中心魏志祥研究员团队合作，通过醚类溶剂分子结构设计，筛选出一种与锂离子结合能力较弱，不共嵌入石墨负极，低成本且液态温度范围宽（-140~+106℃）的醚类溶剂环戊基甲醚（CPME）。并以CPME为主溶剂，高介电常数氟代碳酸乙烯酯（FEC）为共溶剂制备了一种具有较高离子电导率（2.23 mS/cm）和快速脱溶剂化能力的弱溶剂化电解液（WSE），成功将该类电解液应用于高面载LFP/Gr软包电池，实现了1000次的稳定循环和较优的倍率性能，且在-60℃低温下也展现出良好的应用潜力（图1）。

图1. 弱溶剂化醚类溶剂分子结构设计及其在石墨电极表面去溶剂化行为

如图2所示，常规的醚类溶剂DME由于分子结构中双氧原子与锂离子会产生螯合作用，使其与锂离子结合能力强，难以在电极表面实现快速的脱溶剂化过程。采用含有单氧原子的链状醚类溶剂可以有效消除螯合作用，同时在链状醚类溶剂中引入大体积的环烃结构，可以提供较大的空间位阻，从而有效削弱溶剂与锂离子间的结合力。其中，含有五元环烃的CPME溶剂具有廉价易得和液程温度范围宽（-140~+106℃）的优势，有望应用于高性能锂离子电池体系。通过分子动力学模拟、DFT计算和光谱分析，发现CPME与锂离子的结合能力弱，有效促进更多的阴离子参与到锂离子溶剂化结构中。

图2. 弱溶剂化醚类溶剂分子结构设计及电解液溶剂化结构分析

如图3所示，采用CPME作为溶剂的弱溶剂化电解液（1 M LiTFSI-CPME）可以有效提高锂离子迁移数（0.87），并降低脱溶剂化能垒，从而实现电解液与石墨负极的良好兼容性。相比于DME基电解液中石墨/Li半电池极低的容量发挥（82 mAh/g）和低的首次充放电库仑效率（30.6%），CPME基电解液可以使石墨负极发挥360 mAh/g的放电比容量和86.3%的首次充放电库仑效率。XRD分析证实了DME基电解液的共嵌破坏了石墨的层状结构，而CPME及电解液则与石墨保持了良好的兼容性。

图3. 弱溶剂化电解液中锂离子传输/脱溶剂化行为及其与石墨电极兼容性研究

由于CPME溶剂介电常数（4.7）较低，使其作为单一溶剂时电解液的离子电导率较低（0.18 mS/cm），不利于电池性能发挥。为了进一步平衡电解液的离子电导率和脱溶剂化能力，研究者采用高介电常数（78.4）且与锂离子结合能力较弱的FEC溶剂作为共溶剂，优化的电解液（1 M LiTFSI-FEC/CPME）具有较高的离子电导率（2.23 mS/cm）。采用该类弱溶剂化电解液也可以在石墨电极表面形成富含LiF等无机物的SEI膜，有效降低界面阻抗。最终，采用该类电解液的LFP/Gr软包电池可以展现出优秀的倍率性能和长期循环稳定性（1C倍率充放电循环1000次后容量保持率大于80%），且在-60℃低温下也具有良好的应用潜力（图4）。

图4. 弱溶剂化电解液在宽温区锂离子电池中的应用

该工作为含石墨负极锂离子电池用快充/宽温电解液的设计提供了新的思路和指导。相关工作以Co-Intercalation-Free Ether-Based Weakly Solvating Electrolytes Enable Fast-Charging and Wide-Temperature Lithium-Ion Batteries为题发表在ACS Nano期刊上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所博士生王志诚，通讯作者为中国科学院苏州纳米所许晶晶项目研究员、吴晓东研究员和国家纳米科学中心魏志祥研究员。该工作得到国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划等资助，同时感谢中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）提供的测试帮助。