ACS Nano研究论文：无共嵌醚基弱溶剂化电解液实现快充和宽温区锂离子电池

第一作者：王志诚

通讯作者：许晶晶*，吴晓东*，魏志祥*

单位：中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，中国科学技术大学，天目湖先进储能技术研究院，国家纳米科学中心

随着电力驱动的新能源汽车的快速发展和普及，对动力储能电池技术提出了更高的要求，下一代锂离子电池技术需要满足高功率快充和宽温度应用需求。然而，传统碳酸酯类电解液由于凝固点较高以及界面脱溶剂化行为较慢的限制，导致锂离子电池在快速充放电和低温条件下的容量表现不佳。相比之下，醚类溶剂具有更低的凝固点和低的粘度，被认为具有改善锂离子电池低温性能的潜力。不过，传统的醚类溶剂（例如乙二醇二甲醚DME）与锂离子间的结合能力很高，导致在充放电过程中难以实现快速的脱溶剂化过程。结果，这类醚类溶剂会和锂离子一起共嵌入到石墨层状结构中，从而破坏了石墨结构，难以有效应用于锂离子电池系统。

近日，来自中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所吴晓东研究员、许晶晶项目研究员团队与国家纳米科学中心的魏志祥研究员团队合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Co-Intercalation-Free Ether-Based Weakly Solvating Electrolytes Enable Fast-Charging and Wide-Temperature Lithium-Ion Batteries”的研究论文。该论文通过醚类溶剂分子结构设计，筛选出一种与锂离子结合能力较弱，不共嵌入石墨负极，低成本且液态温度范围宽（-140~+106℃）的醚类溶剂环戊基甲醚（CPME）。并以CPME为主溶剂，高介电常数氟代碳酸乙烯酯（FEC）为共溶剂制备了一种具有较高离子电导率（2.23 mS/cm）和快速脱溶剂化能力的弱溶剂化电解液（WSE），成功将该类电解液应用于高面载LFP/Gr软包电池，实现了1000次的稳定循环和较优的倍率性能，且在-60℃低温下也展现出良好的应用潜力。

常规的醚类溶剂DME由于分子结构中双氧原子与锂离子会产生螯合作用，使其与锂离子结合能力强，难以在电极表面实现快速的脱溶剂化过程。采用含有单氧原子的链状醚类溶剂可以有效消除螯合作用，同时在链状醚类溶剂中引入大体积的环烃结构，可以提供较大的空间位阻，从而有效削弱溶剂与锂离子间的结合力。其中，含有五元环烃的CPME溶剂具有廉价易得和液程温度范围宽（-140~+106℃）的优势，有望应用于高性能锂离子电池体系。通过分子动力学模拟、DFT计算和光谱分析，发现CPME与锂离子的结合能力弱，有效促进更多的阴离子参与到锂离子溶剂化结构中。

采用CPME作为溶剂的弱溶剂化电解液（1 M LiTFSI-CPME）可以有效提高锂离子迁移数（0.87），并降低脱溶剂化能垒，从而实现电解液与石墨负极的良好兼容性。相比于DME基电解液中石墨/Li半电池极低的容量发挥（82 mAh/g）和低的首次充放电库仑效率（30.6%），CPME基电解液可以使石墨负极发挥360 mAh/g的放电比容量和86.3%的首次充放电库仑效率。

由于CPME溶剂介电常数（4.7）较低，使其作为单一溶剂时电解液的离子电导率较低（0.18 mS/cm），不利于电池性能发挥。为了进一步平衡电解液的离子电导率和脱溶剂化能力，采用高介电常数（78.4）且与锂离子结合能力较弱的FEC溶剂作为共溶剂，优化的电解液（1 M LiTFSI-FEC/CPME）具有较高的离子电导率（2.23 mS/cm）。采用该类弱溶剂化电解液也可以在石墨电极表面形成富含LiF等无机物的SEI膜，有效降低界面阻抗。最终，采用该类电解液的LFP/Gr软包电池可以展现出优秀的倍率性能和长期循环稳定性（1C倍率充放电循环1000次后容量保持率大于80%），且在-60℃低温下也具有良好的应用潜力。

“Co-Intercalation-Free Ether-Based Weakly Solvating Electrolytes Enable Fast-Charging and Wide-Temperature Lithium-Ion Batteries”

魏志祥 研究员简介：魏志祥研究员于1997和2000年在西安交通大学分别获得本科和硕士学位，2003年在中国科学院化学研究所获得博士学位；2003至2005年分别在德国马普胶体界面研究所和加拿大多伦多大学从事博士后研究；2006年加入国家纳米科学中心，任研究员、博士生导师。主要研究领域为有机功能纳米材料与器件，特别是有机功能分子及其纳米结构的可控制备方法，以及其在太阳能电池、光电传感和储能器件等柔性器件中的应用。近年来已在Nat. Commun., Adv. Mater., ACS Nano等国内外学术期刊上发表论文200余篇，论文他引次数超过20000次。

王志诚 博士简介：2023年6月博士毕业于中国科学技术大学物理化学专业，主要研究方向为高性能锂电池电解液设计及电极界面层调控。于2020、2021、2022连续三年获得研究生国家奖学金，中科院院长奖学金优秀奖、安徽省优秀毕业生、中科大优秀毕业生、中科大优秀博士学位论文奖等。目前以第一作者（含共一）身份在国际期刊Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，Energy Storage Mater.，ACS Nano，Adv. Sci.，Small等发表论文10余篇，申请国家发明专利6项。

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所吴晓东研究员课题组主要致力于储能材料与器件的研究，包括锂硫电池、钠硫电池、新型液态及固态电解质及电极、电解质界面等。

博士后3名

1.负责锂硫电池研究；

2.负责固态电解质及固态电池研究等；

3.负责室温钠硫电池研究。

1. 物理化学、电化学、有机/高分子合成等相关专业背景；

2. 年龄在35周岁以下，身心健康，近3年在国内外知名高校/院所获博士学位；

3. 掌握扎实的专业基础知识，具备优秀的科研素质、创新精神和团队协作精神；

4. 在国际知名期刊发表相关领域学术论文；

5. 有有机合成背景、或锂（钠）硫电池研究经验者优先。

1. 工资福利待遇按中科院苏州纳米所和国家规定执行，提供月工资 奖励绩效。目前研究所在站博士后（特别研究助理）月收入约2.1万元，外加课题绩效和年终奖金，具体面议。园区工作站博士后，出站后在苏州买房可获30万元安家补贴。业绩突出者，出站后可以优先留所工作。

2. 课题组将提供良好的科研环境，支持申请各类项目，积极为团队成员提供国内外学术会议交流机会、海外深造机会、以及将来在学术界和工业界的职业发展机会。

1. 请应聘者将个人简历和反映科研能力、水平和潜力的自我评估报告通过邮件以“应聘博士后＋姓名 ”为主题发送至联系邮箱；

2. 初选通过者将收到邮件通知参加面试；

3. 参加面试者需提供：身份证明、学历学位证明、2-3封专家推荐信、代表性研究成果及能力证明等相关资料。

联系人：宗老师

电话：0512-62872723

邮箱：qlzong2016@sinano.ac.cn

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