邢伟教授&崔永朋教授，ESM观点：伪双层溶剂化鞘实现低温高功率锂离子电池

第一作者：邱智健

通讯作者：崔永朋*，邢伟*

单位：中国石油大学（北京），中国石油大学（华东）

随着对低温和高功率锂离子电池需求的增加，针对低温电解液系统的研究受到广泛关注。高浓电解液被认为能够有效降低锂离子溶剂化能垒，从而改善低温电池性能。然而，实际的低温电化学性能仍然不尽人意，传统观点认为这是由于高浓电解液在低温下的粘度增大、润湿性差以及导电性大幅下降所导致的。然而，这些观点不足以揭示性能差的根本原因。本文通过原位低温拉曼光谱技术，首次揭示了溶剂化离子簇的形成是导致高浓电解液在低温下电化学行为不理想的根本原因，并提出了“伪双层溶剂化鞘”策略，以抑制离子簇的形成，从而增强低温下锂离子的传输。

近日，中国石油大学（华东）邢伟教授与中国石油大学（北京）崔永朋教授合作发表在《Energy Storage Materials》期刊上的文章《Non-Clusters Pseudo-Bilayer Solvation Sheaths for Driving Low Temperature High Power Lithium Ion Batteries》，分析了高浓电解液在低温下表现不佳的机制，并提出了“伪双层溶剂化鞘”策略来解决溶剂化离子簇形成的问题，从而提升低温下锂离子的迁移能力。文章还展示了这种新策略在低温电池中的优异表现，包括能够在-20 oC下实现快速充放电电，并保持良好的容量保持率。

在高浓电解液中，锂离子通常以溶剂化离子的形式存在，并与溶剂分子及阴离子形成复杂的溶剂化结构。然而，在低温条件下，由于溶剂分子的热运动减弱，这些溶剂化结构会进一步聚集，形成溶剂化离子簇。这些溶剂化离子簇的形成显著提高了锂离子的扩散能垒，使其在电解液中的迁移速率降低。同时，由于锂离子从溶剂化离子簇中脱溶剂化的难度增大，电极界面的反应动力学也受到严重影响，从而导致电池的低温电化学性能下降。传统观点通常将低温下高浓电解液性能下降归因于粘度增加和导电性下降，而本研究通过实验首次证明了溶剂化离子簇的形成才是导致这些问题的根本原因。

针对溶剂化离子簇在低温下的聚集问题，研究团队提出了一种“伪双层溶剂化鞘”策略。该策略的核心思想是在传统的高浓电解液基础上引入非极性溶剂分子（如HFE），通过偶极-偶极作用形成保护层，使锂离子溶剂化结构更加稳定。这种保护层不仅能够有效阻止溶剂化簇的聚集，还可以优化锂离子的脱溶剂化过程，从而降低界面阻抗，提高低温下的离子迁移效率。实验结果表明，应用该策略的电解液在低温环境下能够显著提高锂离子的扩散性。

为了进一步验证伪双层溶剂化鞘策略的有效性，研究团队对比了不同电解液体系在低温条件下的电池性能。实验表明，采用该策略的电解液不仅在-20 oC下可以实现快速充电，而且在-40 oC极端低温下仍能保持较高的容量，并且循环寿命大幅提升。此外，该电解液体系在-60°C时仍未完全冻结，表现出良好的低温流动性和导电性。相比之下，传统高浓电解液在同样条件下则出现严重的离子传输受阻现象，导致电池性能迅速下降。

除了提升低温下的离子迁移能力，伪双层溶剂化鞘策略还对电极-电解液界面的动力学产生了积极影响。研究发现，该策略显著提高了SEI膜中无机成分（如LiF）的比例，同时减少了有机副产物的生成，使得SEI膜更加致密且稳定。更重要的是，研究发现基于伪双层溶剂化鞘的电解液在整个充放电过程中具有较低的电荷转移电阻和更快的去溶剂化响应，并且在放电过程中避免了溶剂分子过度积累，表现出独特的低温动力学优势。

Non-Clusters Pseudo-Bilayer Solvation Sheaths for Driving Low Temperature High Power Lithium Ion Batteries

邢伟，中国石油大学(华东)教授，博士生导师，山东省杰青，泰山学者青年专家。从事能源功能材料领域的研究。在Nat. Commun.、Angew.Chem. In. Ed.、Energy & Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等期刊发表SCI收录的论文100余篇，论文被总他引10000 余次，入选斯坦福大学发布全球前2%顶尖科学家“终身榜”，获授权的发明专利27件。兼任皇家化学会会士(FRSC)、中国能源学会新能源专家组副主任、中国内燃机学会燃料电池分会理事、山东省化学化工学会理事。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金(4项)、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省自然科学杰出青年基金等国家和省部级重点课题，获山东省自然科学一等奖2项，教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖1项，中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖1项。