分子间氢键调控溶剂结构：为低温、长寿命锂电打开新局面

在极寒环境中，锂离子电池往往因为电解质中溶剂—锂离子相互作用增强、离子迁移困难、界面阻抗升高等问题而性能急剧下降。

最近，一项发表于 Advanced Functional Materials 的研究指出：“分子间氢键调控溶剂结构”可以显著抑制低温下溶剂围绕锂离子的过度聚集，从而实现 低温循环稳定性提升。

在低温条件下，锂离子电池面临容量衰减快、循环稳定性差等问题。为了解决这一挑战，研究团队设计了一种新型电解液体系，旨在实现 LFP/石墨电池在低温下的稳定循环。电解液需要满足宽液态区间、低黏度和高离子电导率等要求。研究者在筛选溶剂时发现，直链腈类（如 AN、PN、BN、VN）虽然具有低温特性，但存在石墨共嵌入的风险。相比之下，支链腈类（如 IBN、MBAN、TMAN）结构更为有利，其中 IBN 表现最佳，但仍需进一步优化以避免 Li⁺ 共嵌入现象。

为此，研究团队引入了 共溶剂策略。FEC 作为常见的成膜溶剂，能够有效抑制共嵌入，但黏度过高；FDMA 具有低黏度、低熔点，同时其最低 LUMO 能级使其在电化学反应中优先形成 SEI。最终，团队优化出 IBN/FDMA/FEC = 8:1:1，1 M LiTFSI 的电解液配比。

在传输与溶剂化特性方面，优化电解液展现出优异表现。IBN 基电解液的离子电导率高达 12.11 mS/cm，明显优于传统 EC/DEC 电解液，并且在 −60 °C 仍能保持 3.15 mS/cm。其活化能仅为 0.077 eV，远低于 EC/DEC 体系。分子动力学和密度泛函理论计算显示，IBN 是 Li⁺ 的主要配位溶剂，而 FDMA 与 IBN 之间通过 氢键作用 调节溶剂化结构，形成更大规模的溶剂化簇，从而抑制石墨共嵌入并提升体系稳定性。

界面分析结果显示，IBN/FDMA/FEC 电解液能够形成一层 薄而稳定的 SEI。Cryo-TEM 表明，该 SEI 厚度仅约 5 nm，明显小于 EC/DEC 体系的 ~28 nm。进一步的 TOF-SIMS 与 XPS 分析确认，这一 SEI 富含 LiF、Li₂O、Li₂CO₃ 等无机成分，界面更加稳定。而传统 EC/DEC 电解液形成的 SEI 厚且不均匀，导致更多锂枝晶沉积。

在电化学性能方面，这一新型电解液表现出优异的适应性。常温下电池具有稳定的长循环性能和良好的倍率性能；在 低温（−20 至 −50 °C） 条件下，−20 °C 时电池在循环 800 圈后仍保持 99.9% 容量，在 −40 °C 时容量可达 759 mAh，是 EC/DEC 体系的三倍；在 高温（60 °C） 下同样保持稳定，极化较小。整体性能显著优于以往报道的 LFP/石墨体系电解液。

总结来看，该研究的核心在于 氢键调控的溶剂化结构。优化电解液在低温下有效抑制溶剂分子的过度配位，保证阴离子能够参与溶剂化结构，形成稳定的界面膜，同时保持高电导率。最终，这一体系在 −80 至 +80 °C 的宽温区间 内均能实现稳定运行，代表了寒冷气候下锂离子电池电解液设计的一项重大突破。