兰州理工大学崔孝玲教授，Energy Storage Materials 综述：解密溶剂化结构调控提升锂离子电池低温性能的机制

第一作者：张峻伟，孙金龙

通讯作者：崔孝玲*

单位：兰州理工大学

锂离子电池（LIBs）因其能量密度高、无记忆效应、环境友好、使用寿命长、技术成熟等优点，在众多储能系统中脱颖而出，几乎垄断了储能领域（例如3C产品、电动汽车（EV）、电网储能系统）。然而，锂离子电池在低温下性能会急剧下降，这严重限制了锂离子电池在高海拔或高纬度地区以及某些国防、极地探索和航空航天中的应用主。电解液作为锂离子电池的重要组成部分，极大地影响了低温下锂离子的扩散速率。因此，电解液的选择和优化已成为锂离子电池低温应用的瓶颈。

近日，近日，兰州理工大学电化学储能技术与工程团队在国际知名期刊“Energy Storage Materials”上发表了题为“Tuning Solvation Structure to Enhance Low Temperature Kinetics of Lithium-ion Batteries”的综述文章。该综述概述了溶剂化结构调控策以提升电池的低温性能。从原子角度出发，总结了浓度、配位环境、溶剂分子结构和尺寸效应对Li⁺低温脱溶剂化过程和电极/电解质界面的影响，总结出了低温电解液溶剂化调控的基本原则，进而建立了溶剂化结构、去溶剂化过程、界面性质和低温性能之间的关联，并对溶剂化结构调控策略改进和低温电解质设计进行了展望。本文第一作者为硕士研究生张峻伟，孙金龙，通讯作者为崔孝玲教授，兰州理工大学为第一完成单位和唯一通讯单位。

一般来说，由于电极表面阴离子的静电排斥作用，Li+-阴离子对界面Li+去溶剂化的相互作用可以忽略不计。由于低温下溶剂与Li+的溶剂化亲和力更强，Li⁺在界面处的去溶剂化是极其消耗能量的。本部分概述了调控溶剂化结构相关策略，如生成富含阴离子溶剂化结构、调整Li⁺的配位环境、通过分子结构设计削弱溶剂的配位能力、以及利用纳米粒子调控溶剂化结构的尺寸等，总结出降低Li⁺溶剂化壳层中溶剂分子的配位能力和配位数有助于降低Li⁺脱溶剂能垒，从而增强低温下Li⁺的脱溶剂化动力学。

本部分综述了通过伪高浓度策略、调整锂离子的配位环境、分子结构设计和尺寸效应调节等策略减弱了Li⁺与溶剂分子的相互作用，促进阴离子或添加剂参与溶剂化结构，最终阴离子或添加剂会优先在电极表面分解，生成富含无机物的EEI膜，而这层膜具有低阻抗、高模量、双层结构等性质，从而表现出较高的界面稳定性和电荷转移和传输动力学，从而改善了低温性能。

通过系统地综述了近年来溶剂化结构调控策略的应用案例，揭示了溶剂化结构调控的根本是改变电解液中锂盐阴离子、溶剂和添加剂与Li⁺之间的相互作用，发现通过提升锂盐浓度可减少Li⁺溶剂化壳内的溶剂分子，通过调整Li⁺的配位环境和分子结构设计可减弱锂离子与溶剂分子的相互作用，进而形成阴离子主导的溶剂化结构（CIP和AGG）。最终通过阴离子分解的热力学的优先性促进形成富含无机物的EEI膜，既稳定了电极/电解液界面，还提高了锂离子在EEI膜上的迁移动力学，改善了LIBs的低温电化学性能。最后，提出了采用先进的原位/Al技术，建立更科学的模型、寻找更精确的参数等来未来研究方向，以阐明溶剂化机理并不断突破锂离子电池的低温限制。

Tuning Solvation Structure to Enhance Low Temperature Kinetics of Lithium-ion Batteries

崔孝玲：兰州理工大学教授级高级工程师，博士生导师。2019-2020澳大利亚University of Wollongong 访问学者。主要研究方向为锂/钠离子电池材料的研究与应用。主持了国家自然科学基金、甘肃省科技重大专项、甘肃省重点研发，甘肃省自然科学基金及企业技术开发课题等多项研究项目。曾获甘肃省专利三等奖，甘肃省科技进步二等奖等奖项。获得授权发明专利10余件，并作为第1作者或通讯作者在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal、Journal of Energy Chemistry等期刊发表SCI收录论文60余篇。

兰州理工大学石油化工学院李世友、崔孝玲老师带领的“电化学储能技术与工程”研究团队，紧扣国家双碳目标，坚持创新工作方法，积极进行新能源产业关键共性技术攻关，并积极为西部能源化工行业培养高水平学术梯队和建设人才。团队现有正高级职称3名，副高级职称教师4名，讲师2名。团队成立10余年来，共培养博士、硕士研究生120余人，获得国家奖学金13人，省优博3人，省优硕3人。团队研究聚焦于电化学储能技术与工程，包括锂/钠/锌离子电池高能量密度正负极材料、液钒电池、新型电解质和固态电解质的研究与开发，电池增材制造方法开发，废旧锂离子电池关键材料回收及高值化利用等。

研究团队核心成员共主持国家自然科学基金项目6项，主持甘肃省科技重大专项3项，甘肃省重点研发项目、甘肃省自然科学基金重点项目、甘肃省高等学校产业支撑计划项目、甘肃省高等学校科技成果转化项目、甘肃省中青年人才科技创新成果转化扶持项目等纵向课题20余项，主持企业技术开发课题逾30项；获得甘肃省科学技术进步一等奖1项、二等奖3项，获得甘肃省专利二等奖1项、三等奖1项，获得甘肃省冶金有色工业科技进步一等奖4项，获得柳大纲优秀青年科技奖1次；迄今为止，在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Journal of Energy Chemistry、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Carbon、Journal of Power Sources、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Applied Surface Science、Separation and Purification Technology等刊物发表论文130余篇。已申请发明专利40余项，授权20项。授权实用新型发明专利2项。