近日，东南大学郭新立教授课题组与中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟院士、罗丹研究员、汪冬冬研究员合作，提出了一种“极性对比（polarity-contrast）”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，在低温条件下成功构建了稳定的阴离子主导溶剂化结构。相关研究成果“Anion Coordination Transition Enabled by Ion-Dipole Interactions At Low Temperatures” 以东南大学作为第一单位发表于化学材料领域国际权威期刊Journal of the American Chemical Society。
锂金属电池在电动汽车和电网储能领域应用广泛，但其低温性能不足严重制约实际应用。低温条件下，电解液本体离子传导受阻、电极/电解液界面脱溶剂化动力学缓慢及固态扩散迟缓，导致电池容量衰减和极化加剧。传统电解液工程主要通过调控Li⁺-溶剂相互作用构建阴离子参与溶剂化结构，如采用弱溶剂化溶剂或局部高浓度电解液。然而，这些策略在低温下面临根本性限制：随着温度降低，溶剂热运动减弱，与Li⁺配位作用增强，导致阴离子被排斥出溶剂化鞘，离子传输效率急剧下降，界面电荷转移阻抗激增。因此，亟需开发新型电解液设计范式，构建能够耐受低温的阴离子主导溶剂化结构。研究者们通过系统调控溶剂与阴离子（FSI⁻）的相互作用，提出"极性对比"策略，筛选出具有最低和最高最大静电势（ESPmax）的溶剂对——二甲氧基甲烷（DMM）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）。通过精确调节离子-偶极和偶极-偶极相互作用，在低温下，主溶剂DMM与FSI⁻减弱的相互作用促进阴离子溶剂化配位。同时，配位的FEC共溶剂增强与FSI⁻的离子-偶极相互作用，进一步将这些阴离子锚定在溶剂化鞘内。这种FSI⁻主导的溶剂化环境促进富氟固态电解质界面的形成，从而在低温条件下实现均匀的锂沉积。因此，Li||SPAN全电池表现出优异的低温性能，包括在-40°C下4.5 mAh cm⁻²的高面容量和150次循环80%的容量保持率。值得注意的是，Ah级Li||SPAN软包电池在-20°C下实现50次循环，具有出色的容量-温度-寿命平衡，超越大多数已报道的低温锂金属电池。
论文第一作者为材料科学与工程学院博士生任婧萱，通讯作者为东南大学郭新立教授、中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟院士、罗丹研究员、汪冬冬研究员，东南大学为第一通讯单位。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c03001
