近日，我所能源催化转化全国重点实验室动力电池与系统研究部（DNL29）陈忠伟院士、罗丹研究员、汪冬冬研究员团队联合东南大学郭新立教授团队，在低温锂金属电池研究领域取得新进展。团队提出一种“极性对比”（polarity-contrast）电解液设计策略，提升了锂金属电池在极端低温环境下的动力学特性与电化学稳定性。该工作为构建耐低温、阴离子主导型溶剂化结构提供了新的电解液设计思路。
低温条件下，锂金属电池因电解液离子传输缓慢、Li⁺脱溶剂化动力学迟滞、界面副反应加剧等问题，导致电池容量衰减严重、循环稳定性差，限制了其在极端环境储能、电动汽车及航空航天等领域的应用。
为解决上述问题，团队提出了一种“极性对比”电解液设计策略，通过调控阴离子与溶剂之间的离子—偶极相互作用，在低温条件下构建了稳定的阴离子主导溶剂化结构。团队筛选出具有最低ESPmax的二甲氧基甲烷（DMM）与最高ESPmax的氟代碳酸乙烯酯（FEC）作为极性对比溶剂对。其中，DMM在低温下与FSI⁻作用减弱，有利于阴离子进入Li⁺溶剂化鞘层；而FEC则通过增强的离子—偶极相互作用进一步锚定FSI-，从而在低温下形成稳定的阴离子富集溶剂化环境。同时，DMM与FEC之间增强的偶极—偶极相互作用促进了Li+脱溶剂化动力学。团队通过精确调节离子—偶极和偶极—偶极相互作用，实现了低温下的阴离子配位转变，为低温锂金属电池电解液设计提供了新思路。基于该策略，电解液可诱导形成富LiF的SEI膜，实现低温下均匀的锂沉积与高可逆的锂沉积/剥离行为。
研究表明，Li||SPAN全电池在-40 ℃、4.5 mAh cm-2高面容量条件下，循环150圈后仍保持80%的容量；Ah级软包电池在-20 ℃下稳定循环50圈，表现出较好的低温循环稳定性与容量保持率。该研究揭示了低温环境下溶剂化结构动态演化的新机制，为低温锂金属电池电解液设计提供了新的理论依据与研究思路。
相关研究成果以“Anion coordination transition enabled by ion-dipole interactions at low temperatures”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的第一作者是我所DNL2900组群联合培养博士研究生任婧萱。该工作得到中国科学院B类先导专项“能源电催化的动态解析与智能设计”、大连市科技创新人才支持计划、我所创新基金等项目的资助。（文/图 任婧萱、汪冬冬）
