艾新平教授、詹晖教授，Chem. Eng. J观点：两亲分子辅助下的全氟电解质设计助力低温锂金属电池

当前，传统锂离子电池由于固有比能量瓶颈以及动力学限制，低温下其性能往往会出现急剧下降，越来越难以满足人们的需求。锂金属电池由于负极固有的高比容量、低电极电势优势以及非脱嵌式反应特点使得全电池能提供更高的比能量和潜在的高动力学优势，因此被认为是非常有吸引力的下一代电池。但是，锂金属高反应活性带来的电解质消耗、低沉积库伦效率以及枝晶不可控生长等问题一直制约着其作为理想负极的商业化进程。本篇研究基于前人的富氟电解质设计思路，提出了两亲溶剂辅助下的全氟电解质设计方案。其中，引入的全氟烷烃通过对电解质离子溶剂化结构、电极/电解质界面相的调控实现了低温区高效的锂沉积以及稳定的LiFePO₄全电池循环，与此同时，电池的安全性也得到了极大改善。本文为未来的低温锂金属电池的发展提供了一条崭新的思路。

近日，来自武汉大学的詹晖教授与艾新平教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Amphiphilic molecule-assisted perfluoro-alkanes electrolyte for low temperature lithium metal batteries”的研究文章。该研究文章分析了提出了两亲分子辅助下的全氟电解质设计，通过对离子溶剂化结构、电极/电解质界面相形成的调控，大幅提高了锂沉积效率以及正极结构的稳定性。使用最优电解质的Li/LiFePO₄全电池在−40°C~60°C的宽温度范围内具有稳定的循环性和优异的阻燃安全性。

电解质离子动力学受离子溶剂化结构深度影响。该研究文章通过引入两亲溶剂和非极性全氟溶剂取代部分极性溶剂，重新调整了电解质中锂离子的溶剂化结构，让更多的阴离子进入锂离子溶剂化内层，降低了极性溶剂配位数，去溶剂化能降低，提升了电荷转移前的离子去溶剂化动力学。

除了溶剂化结构的变化外，溶剂还直接影响SEI/CEI的形成与离子输运。因为，SEI/CEI的组成与离子导通性直接高度依赖于电解质副分解反应产生的还原/氧化产物。该研究文章通过全氟电解质设计大幅改善了SEI/CEI的结构强度与无机组分均一性，通过早期提前分解预保护形成的超薄SEI/CEI实现了稳定、高通量离子导体界面层，防止了电解质的持续分解以及材料结构的破裂。

通常来讲，低温下锂金属沉积/溶出库伦效率低与枝晶不可控生长问题相较于室温来说更加严重，因为低温对离子传输动力学以及电解质分解都会产生重要影响。该研究文章提出的电解质设计思路通过对低温离子动力学优化，以及对锂/电解质界面的精准减薄、均一化调控，实现了均匀的锂沉积，低温沉积库伦效率得到了大幅提升，这为全电池的长循环稳定性奠定了良好基础。

詹晖，武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师。1995年和2002年在武汉大学分别取得学士和博士学位。2002年留校任教，2014年晋升为教授。研究领域为电化学能源存储与转换，包括但不限于各类型二次电池与一次电池体系的构建、非水体系电池的宽温域电解液设计、（柔性）电极材料的合成以及新型储能器件的开发。至今主持或参与过多项军工项目，自然科学基金和科技部重点研发计划。

艾新平，武汉大学化学与分子科学学院教授、博士生导师。在武汉大学化学学院分别获得学士（1990年）、硕士（1992年）和博士学位（1995年）；1995年留校任教，1998年晋升为副教授，2005年晋升为教授。现任湖北省化学电源材料与技术重点实验室主任；兼任国家新能源汽车专项指南专家和总体组动力电池责任专家。主要研究领域包括锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池，以及电池安全性技术。具体研究方向包括：高容量硅基储锂负极，储钠电极材料，高容量硫电极，电池反应控制技术。