非共嵌入醚基弱溶剂化电解质设计实现低温快充锂离子电池 | 进展

磷酸铁锂（LiFePO₄, LFP）||石墨（Gr）电池因高安全性、长循环寿命及低成本优势，在储能和动力电池领域占据主导地位 。然而，该体系在低温（< -10 ℃）及高倍率（> 3 C）条件下性能急剧恶化，表现为容量显著衰减、极化电压增大及析锂风险 。这主要归因于低温下缓慢的去溶剂化动力学与界面Li⁺传输受阻 。传统碳酸酯基电解质（如EC）熔点高，低温下易凝固或粘度剧增；而低熔点的线性碳酸酯虽能改善流动性，但其与Li⁺的强配位作用导致去溶剂化能垒过高，且在石墨表面形成的富含有机组分的SEI膜阻碍了离子快速传输 。因此，开发兼具低凝固点、弱溶剂化特性且能抑制溶剂共嵌入石墨的新型电解质，对于提升LFP||Gr电池在极端环境下的性能至关重要 。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心王雪锋特聘研究员与苏州大学程涛教授、北京科技大学李叶晶副教授团队合作，开发出一种基于2-甲基四氢呋喃（2MT）与氟代碳酸乙烯酯（FEC）的非共嵌入弱溶剂化电解质（LMFE），解决了上述难题 。首先，研究团队利用DFT计算筛选出与Li⁺结合能较弱的醚类溶剂2MT，其分子中的甲基基团产生了关键的空间位阻效应，有效抑制了溶剂分子在石墨层间的共嵌入行为，克服了传统醚类溶剂（如THF）易导致石墨剥离的问题 。其次，该电解质体系（1.5 M LiFSI in 2MT:FEC）具有极低的凝固点（-117.67 ℃），在-60 ℃的极寒环境下仍保持液态，保障了离子的快速迁移 。更重要的是，拉曼光谱与分子动力学模拟证实，该体系形成了阴离子主导的溶剂化结构，显著降低了Li⁺的去溶剂化能垒。此外，该电解质诱导石墨表面形成了厚度仅约13 nm且均匀的富无机SEI膜（富含LiF、Li₃N、Li₂CO₃、Li₂O），这种界面具有高离子电导率，有效降低了界面阻抗并抑制了锂枝晶生长 。得益于此，LFP||Gr全电池在-30 ℃下循环300周后容量保持率达90.36%，并实现了5C高倍率快充。本研究通过溶剂分子结构设计与界面调控，为极端环境下的高性能锂离子电池提供了全新的电解质解决方案。

图1   LMFE与BE去溶剂化过程及界面Li⁺传输示意图

相关成果以“Weakly-Solvated and Co-Intercalation-Free Ether-Based Electrolytes Enhance the Low-Temperature and Fast-Charging Performance of LiFePO₄||Graphite Batteries”为题发表在国际期刊Angewandte Chemie International Edition上。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中国科学院等项目的资助 。

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