界面反应与离子传输：低温锂电池的关键问题及应对策略

第一作者：盛启蒙，黄益钰

通讯作者：陶新永，盛欧微，金成滨

单位：浙江工业大学，杭州电子科技大学，中国计量大学

锂金属电池应用前景广阔，但目前其在低温条件下仍面临巨大挑战，这可能与低温下界面反应动力学较差、形成的固体电解质界面（SEI）膜不理想、离子传输迟缓以及不可控的锂沉积/脱出行为等有关。目前对于低温锂金属电池面临的这些挑战的认识和探索还有待进一步深入。

近日，来自浙江工业大学的陶新永教授、杭州电子科技大学的盛欧副研究员以及中国计量大学金成滨研究员合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“The challenges and solutions for low-temperature lithium metal batteries: Present and future”的文章。该文章全面分析了低温锂金属电池中电解质、正负极及其各自界面所面临的主要挑战。讨论并统计了锂金属电池的物理化学和电化学行为（溶解/脱溶、离子传输、界面化学等）与温度的内在联系。此外，通过统计电池在零下温度的容量保持率对锂金属电池低温策略进行了分类和评估。最后，提出了促进低温锂金属电池未来发展的建议。

电解液优化是实现低温锂金属电池成功运行的最重要、最有效的策略之一。理想的低温电解液应同时具有高离子电导率、低溶剂化能、低熔点以及优异的成膜能力。通过调整电解液的组成（锂盐，溶剂）和溶剂化结构，抑或是开发新型电解质，都是制备高性能低温电解液的有效途径。

在低温条件下，正极会发生晶格收缩，同时正极电解质界面（CEI）膜的结构和成分也会发生变化。离子传输能力弱且性质不稳定的CEI膜是诱导低温锂金属电池容量衰减的重要原因之一。此外，正极中过渡金属的溶解和晶体结构的变化也会进一步引发低温电池容量的下降。要解决低温下正极问题，稳定 CEI 膜和调节正极结构（如涂层、掺杂、纳米化）被认为是有效的解决方案。

尽管锂金属拥有较大的理论比容量，但是低温下的金属锂面临着巨大的挑战，枝晶锂生成、不稳定的SEI和缓慢的界面动力学等问题变得更为严峻和复杂。降低温度不仅会减缓锂离子的传输速率，还会从热力学上影响电解液的分解。由此产生的 SEI膜通常由更多的有机中间产物组成，这与不均匀的离子运输和锂沉积相关。研究发现枝晶状锂沉积导致的电池局部短路在低温下也更易于发生。此外，锂在低温下的腐蚀行为也不容忽视。对于锂负极而言，稳定其在低温下的性能的策略主要包括构筑人工SEI膜、合金化和集流体改性等。

通过调节正负极、界面和电解液来解决低温锂金属电池面临的挑战已取得一定的进展，然而仍需持续的研究来进一步提升电池低温运行性能。对于未来锂金属电池的探索可以从以下几个方面开展：1）发展先进表征测试方法探索电池低温界面电化学行为和失效机制：三电极技术，冷冻电镜技术、原位技术（原位拉曼、原位原子力显微镜等）；2）开发锂负极的低温功能骨架：有效调控锂在低温下的沉积/脱出行为，减少枝晶和死锂产生；3) 理论计算模拟辅助低温电池研究：通过使用理论计算结合人工智能筛选潜在的低温电解液配方和电池材料；4） 开发自加热系统以及物理场提升电池低温性能：通过电池自加热减少温度对于电池的影响，或者是使用物理场（例如磁场）来调控锂在电池循环过程中的沉积行为等；5）研究低温软包电池和低温无负极电池技术。

总而言之，要实现锂金属电池在低温条件下的实际应用，还需要进行更多的努力和探索，不仅需要设计高性能的电解液，同时还需考虑正负极及其对应界面内的离子传输和电子转移，最终成功构筑低温下高容量保持率、长寿命和高能量密度的锂金属电池。