对于未来大规模能量存储应用来说，实现在高电压和极端条件下（如极地探险、寒冷地区运行的电动汽车以及某些军事应用）的锂离子电池（LIBs）的可靠运行极为重要。然而，与传统的室温（RT）相比，基于石墨（Gr）的常规LIBs在-40℃时只能提供大约12%的放电容量保持率。此外，由于锂离子在Gr阳极侧的动力学严重受限，很少有关于在低温（LT，-30℃）下充电的报道。Li+插层的工作电位较低，当阳极极化超过0.1V时，可能会在Gr阳极上发生Li沉积。这可能导致活性Li离子的不可逆耗尽和随后的容量衰减，特别是在Gr阳极的快速充电或在零下温度下尤为严重。电池界面的动力学与电解液密切相关，因为Li+的溶剂化结构决定了去溶剂化能量、SEI组分和离子传输电阻等性能。为了满足在低温下稳定运行高能量密度LIB系统的要求，迫切需要一种具有快速离子传输能力、低冰点、弱溶剂亲和力和高电压耐受性的电解液。然而，传统的电解液系统未能满足这些要求。碳酸乙烯酯（EC）是商业LIBs电解液中不可或缺的溶剂组分，以其强离解锂盐和在Gr阳极形成固体电解质界面（SEI）的能力而闻名。尽管如此，其固有的高冰点和强溶剂化能力限制了其在低温环境中的应用。而基于醚的电解液在低温下具有较高的离子导电性且冰点较低，但它们通常表现出较窄的电化学稳定性窗口（<4.0 V），限制了它们与当前高容量阴极材料（如层状Li[NixCoyMz]O2（M=Mn或Al）三元阴极）的使用。近年来，国内外研究人员越来越重视通过使用氟化溶剂来调节电解液中的溶剂化结构。通过调节溶剂的键能，可以改善电极界面的动力学，为克服LIBs在低温（≤-20℃）下高容量充放电的困难提供了新的思路。氟化有机溶剂具有高氧化稳定性、不燃性以及形成富含LiF的电极/电解液界面的优势。此外，由于氟原子强的电子吸引性质和低极化性，这些溶剂在低温条件下表现出快速的去溶剂化能力。在这方面，氟化羧酸酯已被优化用于LIBs的低温应用。然而，氟的引入大大降低了溶剂的Li+溶解度，因此通常需要与强极性和成膜共溶剂（如FEC）一起使用。合成过程的复杂性和产量的限制导致氟化电解液的整体成本大幅上升。更重要的是，C-F键的异常稳定性使它们高度抵抗降解，引发了关于其潜在环境危害的担忧。因此，寻找与当前高电压阴极兼容且能在低温下使用的先进的无氟溶剂至关重要。
近日，苏州大学晏成林、郑艺伟、南通大学刘杰团队提出了一种新型低温（LT）溶剂系统——硅氧烷，通过策略性分子键设计，利用硅原子的空3d轨道与相邻氧原子的孤对电子通过共轭作用来增强电压抵抗性和减弱Li+-溶剂相互作用。通过调节硅氧共轭键的数量，可以控制溶剂化结构中的阴离子簇类型，最终形成富含LiF和Si-O的界面层，促进了Li+的快速传导。通过实验表征和理论模拟分析了Li+的溶剂化特性以及低温对溶剂化结构的影响，发现硅氧烷分子中Si 3d空轨道与O原子孤对电子之间的共轭作用减少了锂离子的溶剂化能力，实现了界面的快速去溶剂化。通过调整共轭程度，电解液系统在保持溶解度的同时实现了良好的阴极稳定性，使得基于硅氧烷的电解液能够在低温下提高锂离子电池的性能，特别是在高电压和宽温度范围内的应用。
该成果以"Optimizing Si─O Conjugation to Enhance Interfacial Kinetics for Low-Temperature Rechargeable Lithium-Ion Batteries"为题发表在《Advanced Materials》期刊，第一作者是Wang Yiwen。
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