陈重学副教授、曹余良教授， ESM观点：离子-溶剂间作用力诱导的快速Li+动力学实现高安全锂离子电池在-50 ℃下工作

第一作者：陈龙

通讯作者：陈重学*

单位：武汉大学

锂离子电池（LIBs）在过去的三十年间发展迅速，占据了3C，动力电池以及储能领域的绝大多数市场份额，但是以碳酸乙烯酯（EC）溶剂为主的商用电解液严重影响了电池的工作温程。碳酸丙烯酯（PC）被认为是EC最理想的替代溶剂，具有高离子电导和低凝固点的显著特点，但是其与常规的石墨负极完全不兼容，影响了其进一步的应用。为了解决PC与石墨的兼容性问题，研究者提出了很多方法，比如设计高浓度/高摩尔比电解液。在之前的工作中，我们提出构建阴离子诱导的离子-溶剂络合结构来抑制石墨表面PC的分解，但是Li⁺-PC间的强结合力导致Li⁺脱溶剂化过程缓慢，低温性能依然不够理想。

近日，来自武汉大学的陈重学副教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为"Dragging effect" induced fast desolvation kinetics and −50 ℃ workable high-safe lithium batteries”的研究文章。该文章提出了一种基于离子-溶剂间作用力设计的双层溶剂化结构，有效地加快了Li⁺的脱溶剂化过程，使用这种电解液的4Ah Gr||LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂和1Ah Gr||LiFePO₄软包电池表现出极佳的循环性能和优异的低温性能。同时全氟磷酸酯的引入也有效提高了体系的安全性，软包电池能够通过针刺和热箱测试。

通过向LiPF₆-PC/TFEP二元电解液引入具有更高Li⁺亲和力，同时配位能力与TFEP相近的小分子溶剂EMC，我们成功地在体相电解液中原位构建了双层溶剂化结构，并利用分子动力学模拟证实。

通过外层溶剂化层上的Li⁺-EMC, TFEP-PF₆-作用，可以有效削弱内层Li⁺-PC和Li⁺- PF₆-之间的相互作用，分子动力学模拟，DFT计算以及核磁测试均证实，这种特殊的双层溶剂化结构大幅加速了Li⁺脱溶剂化过程。

4Ah Gr||NMC811软包电池在0.2 C电流下表现出良好的电化学性能，工作电压为3.69 V，能量密度为280 Wh kg⁻¹，接近使用商业电解液的软包电池，400次循环后仍能保持94.1%容量。低温性能方面，Gr||NMC811电池在-40 ℃和-50 ℃下保持了79%和62.5%的容量以上结果表明，PTE312的设计有效提高了PC与石墨的电化学兼容性和低温性能，降低了Li⁺脱溶剂化过程能垒，改善了了Li⁺的动力学性能。

PTE312电解液表现出完全不燃的特性，同时大幅推迟了NMC811正极的热失控温度和失控放热量，使用PTE312的4Ah Gr||NMC811软包电池可以在满充状态下顺利通过针刺和热箱测试。

"Dragging effect" induced fast desolvation kinetics and −50 ℃ workable high-safe lithium batteries

陈重学 副教授简介：武汉大学动力与机械学院副教授，博士生导师。武汉大学“珞珈青年学者”，武汉市新能源汽车产业协会专家，担任《物理化学学报》、《Carbon Energy》、《eScience》等期刊的青年编委。研究方向为电化学储能技术，包括锂/钠离子电池、水溶液电池以及废旧电池的绿色回收。目前已承担国家级、省部级及横向课题16项，在Angew. Chem.,、Adv. Energy. Mater.等期刊上发表论文90余篇，他引4400多次，H指数37，申请国家发明专利21项。先后获得湖北省自然科学奖二等奖、电力创新奖二等奖、国家电网公司科学技术进步奖二等奖、湖北省汽车产业走廊“根技术”创新大赛一等奖、湖北省研究生教学成果奖三等奖等奖项。

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