【研究背景】

為了使電動汽車、電子設備在極端工作條件穩定運行，對于兼具低溫適應性和長壽命的鋰離子電池（LIBs）的開發至關重要。傳統是石墨負極在低溫下形成的SEI界面極不穩定，相反地，Li金屬自身可作為電池的理想負極，而無需任何Li沉積載體，可以保證LiCoO2 （LCO）陰極的低溫運行。但目前Li|| LCO電池常用的電解液體系很難適用于低溫環境，主要問題包括Li+的高度溶劑化結構、低去溶劑化能、電解液中Li+飽和濃度較低以及SEI&CEI的界面阻抗高等。

【成果簡介】

近日，哈工大何偉東教授，劉遠鵬副教授等在Energy & Environmental Science上發表題為“Reconstruction of LiF-rich interphases through an anti-freezing electrolyte for ultralow-temperature LiCoO2 batteries”的研究論文。作者選用了甲酸異丁酯（IF）作為抗凝固劑，有效拓寬了電解液的液程范圍，同時構建了富含LiF的SEI膜和CEI膜，有效提升了Li||LCO低溫下的循環性能。

【研究亮點】

（1）采用甲酸異丁酯（IF）作為抗凍劑，設計了一種氟硫電解質，實現了低配位數、高去溶劑化能和高Li+飽和濃度的電解質；同時形成了富含LiF的SEI和CEI膜，有效促進Li+傳輸。

（2）該電解液極大地提升了Li || LCO電池的低溫性能，在-70°C下穩定循環超過170次，可逆容量達到110 mAh/g。

【圖文導讀】

圖1 EC+DMC （a）和45% IF （d）電解質示意圖；EC+DMC （b）和45% IF （e）電解質的Li+溶劑化結構和相應的去溶劑化能；利用拓撲分析確定了EC+DMC （c）和45% IF （f）電解質的Li+遷移路徑；（g）特定溫度下不同電解質的Li+飽和濃度；（h）不同電解質的離子電導率；（i） 45% IF電解質與其他報道過的低溫電解質的容量及相應循環數的對比。

在-70℃下，使用碳酸乙烯（EC） +碳酸二甲酯（DMC）和45%IF電解質的電池運行示意圖如圖1a和1d所示，這表明調整EC+DMC和45% IF電解質界面相的電化學性能的意義和作用。圖1b-c和e-f顯示了通過拓撲分析確定的Li+溶劑化結構、對應的去溶劑化能和遷移路徑。45% IF電解質的脫溶能為-27.97 eV，遠高于EC+DMC電解質的-50.27 eV，如圖1b和1e所示。由于EC和DMC溶劑凝固點較高，Li+在-20℃的傳輸受到限制。相反，IF體系中Li+的運動軌跡范圍大，如圖1f所示，有完全連通的遷移通道，使得Li+在-20°C的45% IF電解質中具有較大的擴散系數（9.35×10-20 m2 s-1）和離子電導率（4.856 mS cm-1）。

基于此，作者提出了Li+的飽和濃度來分析Li+的溶劑化程度，如圖1g所示。在-70℃時，加入防凍劑IF的45% IF電解質溶劑化程度低，Li+飽和濃度高，保證了Li+的高效遷移（1.40×10-10 mol/s）。EC+DMC電解質具有較強的溶劑化結構和較高的凝固點，極大地阻礙了Li+的傳輸，導致Li+飽和濃度極低（4.99×10-16 mol/s）。如圖1h顯示了45% IF、FEC+DMS和EC+DMC電解質的離子電導率。

圖1i總結了文獻中不同低溫電解質的詳細對比，在-70 ℃條件下，45% IF電解質的容量和循環次數綜合性能最好。

圖2 Li‖LCO電池（2.70-4.45 V）的電化學性能。（a） 60-70°C的倍率性能；（b）在-20℃條件下，不同電解質的電池在1/3 C時的倍率和（c）循環性能；（d）在1/15 C和-70°C條件下，使用45% IF電解質時電池的循環性能；（e） EC+DMC和45% IF電解質在1/3 C和-20℃條件下，LCO負載約10 mg cm-2時，電池的循環性能；（f）在1/15C和-70℃條件下，當LCO負載為~10 mg cm-2時，45% IF電解質對電池的循環性能；（g）低溫放電曲線。 電池在不同溫度下充電，在-70°C放電時使用45% IF電解質；（h）在-70°C條件下，使用45% IF電解質的Li‖LCO電池供電的電動機的數碼照片；（i）本工作與最近有關低溫電池的性能進行比較。

如圖2a所示，45 % IF電解質的工作溫度范圍為60℃~-70℃，較EC+DMC電解質（60℃~ -20℃）更大。圖2b顯示了與對照組相比，使用45 % IF電解質的電池倍率性能更好。如圖2c所示，采用45 % IF電解質的Li || LCO電池在1/3 C和-20℃條件下，在500個循環中，其容量最高為156 mAh g-1，容量保持率為93.5 %。在圖2d中，即使在-70℃，電池也可以在170次循環后提供110mAh g-1。在-20℃時，使用45% IF電解質的電池在1/3C時的初始放電容量為113 mAh g-1，平均CE為99.59%。而EC+DMC電解質的電池在25個循環內容量迅速衰減，如圖2e所示。

如圖2f所示，在1/15C和-50℃、-60℃和-70℃條件下，使用45% IF電解質的電池的容量分別為146 mAh g-1、124 mAh g-1和109.7 mAh g-1。在圖2g中，室溫充電-70℃放電，45% IF電解質的電池初始CE為88%，在-70℃充電放電時為69%。如圖2h所示，在-70℃條件下，由Li || LCO電池和45% IF電解質供電的電風扇可持續工作。圖2i和總結了文獻中不同低溫電解質的詳細對比。

圖3 Li+在EC+DMC （a）和45% IF （e）電解質中的沉積行為的示意圖；EC+DMC （b-d）和45% IF （f-h）電解質的俯視圖、剖面圖和SEM圖像。 EC+DMC （i）和45% IF （k）電解質形貌演變的有限元模擬；（j， l）用45% IF和EC+DMC電解質制備的對稱Li‖Li電池在電流密度為0.5 mA cm-2、固定容量為0.5 mA h cm-2時的循環性能；在電流密度為0.5 mA cm-2的條件下，在30、60、90和120 min的EC+DMC （m）和45% IF （n）電解質中的鋰沉積的原位光學圖像。

圖3a和圖3e描述了在-20℃條件下，Li+在EC+DMC和45% IF電解質中的沉積行為。在EC+DMC電解液中，Li金屬表面出現大量分布不均的苔狀針狀枝晶，如圖3b所示。相比之下，45% IF電解液的Li金屬表面呈橢圓形，無枝晶密集，界面結構平坦，如圖3f。從圖3d和圖3h可以看出，EC+DMC電解液的Li負極表面在6 μm~8 μm范圍內波動較大，而45% IF電解液的負極表面深度約為4 μm，說明在-20℃時，鋰離子沉積較為穩定，界面較為平滑。

采用相場模擬對Li金屬/電解質界面的電場分布進行了數值研究。如圖3i和3k所示。Li||Li對稱電池在-20 ℃下如圖3j所示，使用45% IF電解液的Li||Li電池在4000小時內循環穩定，而使用EC+DMC電解液的Li||Li電池在500小時后失效，如圖3l所示。組裝Li||Cu電池，在-20℃下通過原位光學顯微鏡研究不同電解質在Cu表面的沉積剖面形貌，不同時間記錄的圖像如圖3m， n所示。

圖4 在-20℃下，從MD模擬和拉曼光譜（c， f）中獲得45% IF （a-c）和EC+DMC （d-f）電解質的快照（a， d）和RDF （b， e）；（g） Li+與不同電解質組分之間的CNs；（h）加入45% IF電解質的LCO電池首次充放電時的原位拉曼光譜；（i-k）第50個循環后，45% IF電解液殘留的7Li， 13C和19F液相NMR譜。

作者用計算模擬、拉曼光譜和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）對溶劑化結構進行了研究。分子動力學（MD）模擬和RDF數據也分別用于分析EC+DMC和45% IF電解質中的SSIP和CIP結構。圖4g為Li+與不同電解質組分之間的CNs。圖4h給出了充放電過程，對應的時間分辨拉曼圖像為300 cm-1-500 cm-1。

利用核磁共振（NMR）對反應后的商用電解液和45% IF電解液殘留物的組成進行了研究，結果如圖4i和4k所示，這與F和Li的XPS分析結果一致。在-20℃回收的電解液中發現LiF成分，說明45% IF的電解液在充放電反應過程中形成了大量的LiF，構成了穩定的富含LiF的SEI和CEI層。

【總結和展望】

本工作通過在LiDFOB/FEC/DMS氟硫電解質體系中引入IF抗凍劑，研制了一種具有優良物理化學性能的低溶劑化（CN = 0.07）、高去溶劑化能（-27.97 eV）和Li+飽和濃度（1.40×10-10 mol/s）的電解質。該電解質形成了穩定的富含LiF的SEI（10.48%）和CEI（17.91%）層，具有較大的Li+電導率和擴散系數以及較寬的溫度窗口（-70℃~ 60℃）。原位光學顯微鏡結合MD模擬和相場模擬表明，新型電解質使鋰離子在鋰金屬陽極的沉積均勻，有助于在-20℃條件下形成長壽命可逆對稱鋰||鋰電池（》4300小時）。此外，在-70℃條件下，經過170次循環后，電池的放電容量達到了空前的110mAh/g。該工作為鈷酸鋰電池體系低溫下的應用提供了寶貴經驗和借鑒。

審核編輯：郭婷