【儀表網 研發快訊】磷酸鐵鋰(LiFePO?, LFP)||石墨(Gr)電池因高安全性、長循環壽命及低成本優勢，在儲能和動力電池領域占據主導地位 。然而，該體系在低溫(< -10 ℃)及高倍率(> 3 C)條件下性能急劇惡化，表現為容量顯著衰減、極化電壓增大及析鋰風險 。這主要歸因于低溫下緩慢的去溶劑化動力學與界面Li?傳輸受阻 。傳統碳酸酯基電解質(如EC)熔點高，低溫下易凝固或粘度劇增；而低熔點的線性碳酸酯雖能改善流動性，但其與Li?的強配位作用導致去溶劑化能壘過高，且在石墨表面形成的富含有機組分的SEI膜阻礙了離子快速傳輸 。因此，開發兼具低凝固點、弱溶劑化特性且能抑制溶劑共嵌入石墨的新型電解質，對于提升LFP||Gr電池在極端環境下的性能至關重要 。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心王雪鋒特聘研究員與蘇州大學程濤教授、北京科技大學李葉晶副教授團隊合作，開發出一種基于2-甲基四氫呋喃(2MT)與氟代碳酸乙烯酯(FEC)的非共嵌入弱溶劑化電解質(LMFE)，解決了上述難題 。首先，研究團隊利用DFT計算篩選出與Li?結合能較弱的醚類溶劑2MT，其分子中的甲基基團產生了關鍵的空間位阻效應，有效抑制了溶劑分子在石墨層間的共嵌入行為，克服了傳統醚類溶劑(如THF)易導致石墨剝離的問題 。其次，該電解質體系(1.5 M LiFSI in 2MT:FEC)具有極低的凝固點(-117.67 ℃)，在-60 ℃的極寒環境下仍保持液態，保障了離子的快速遷移 。更重要的是，拉曼光譜與分子動力學模擬證實，該體系形成了陰離子主導的溶劑化結構，顯著降低了Li?的去溶劑化能壘。此外，該電解質誘導石墨表面形成了厚度僅約13 nm且均勻的富無機SEI膜(富含LiF、Li?N、Li?CO?、Li?O)，這種界面具有高離子電導率，有效降低了界面阻抗并抑制了鋰枝晶生長 。得益于此，LFP||Gr全電池在-30 ℃下循環300周后容量保持率達90.36%，并實現了5C高倍率快充。本研究通過溶劑分子結構設計與界面調控，為極端環境下的高性能鋰離子電池提供了全新的電解質解決方案。
相關成果以“Weakly-Solvated and Co-Intercalation-Free Ether-Based Electrolytes Enhance the Low-Temperature and Fast-Charging Performance of LiFePO?||Graphite Batteries”為題發表在國際期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和中國科學院等項目的資助 。
圖1 LMFE與BE去溶劑化過程及界面Li?傳輸示意圖
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