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新能源汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能、極地科考、深空探測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)能電池的能量密度和低溫性能提出了更高的要求。近年來(lái)，高理論比容量的金屬鋰作為負(fù)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(tǒng)酯基電解液中，鋰離子與溶劑存在強(qiáng)相互作用，使得鋰離子的遷移速度慢和電極/電解液界面穩(wěn)定性差，限制了鋰金屬電池在低溫環(huán)境的應(yīng)用。

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心先進(jìn)炭材料研究部新型電化學(xué)儲(chǔ)能與器件團(tuán)隊(duì)提出了電解液中的氧鍵設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬電池在低溫環(huán)境下優(yōu)異的性能。研究發(fā)現(xiàn)電解液溶劑氧鍵的鍵能與離子配位、界面?zhèn)鬏斝阅芫o密相關(guān)，經(jīng)過(guò)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(duì)電解液結(jié)構(gòu)和溫度適應(yīng)性的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)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(gòu)建了低溫穩(wěn)定的電解液結(jié)構(gòu)，顯著提高了電極/電解液界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和界面穩(wěn)定性?；谏鲜霾呗栽O(shè)計(jì)的低溫電解液，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬電池在室溫、零下20℃和零下40℃環(huán)境下循環(huán)150圈均無(wú)明顯壽命衰減，是目前文獻(xiàn)報(bào)道中低溫循環(huán)最穩(wěn)定的鋰金屬電池之一，還可構(gòu)建安時(shí)級(jí)高性能鋰金屬電池，為低溫鋰電池用電解液設(shè)計(jì)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(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）期刊，DOI: 10.1021/jacs.4c01735。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所樸楠副研究員為論文第一作者，浙江大學(xué)博士生王金澤為論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李峰研究員為論文通訊作者。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中國(guó)博士后科學(xué)基金和遼寧省科技計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

圖1.低溫電解液的設(shè)計(jì)。

圖2. 低溫鋰金屬電池的性能。