锂（Li）金属电池在提升能量密度方面具有巨大潜力，但其在超低温下的性能仍然受到缓慢的电荷传输动力学和不稳定界面形成的限制。在传统的电解质体系中，锂离子被束缚在溶剂化结构中，从而给去溶剂化过程带来困难，并进一步加剧溶剂分解。在此，中国科学技术大学任晓迪团队提出了一种“推–拉”电解质设计策略。即通过分子静电势（ESP）筛选确定2,2-二氟乙基三氟甲磺酸酯（DTF）作为共溶剂。其中，DTF具有合适的ESP最小值（−21.0 kcal mol–1），与锂离子合适的亲和力且能够有效地“拉”住锂离子，而不会破坏富阴离子的溶剂化结构。此外，具有较高ESP最大值（37.3 kcal mol–1）的二氟甲基基团通过竞争性氢键作用“推”开溶剂分子。基于此，该策略重构了现有的溶剂化结构，并加速了锂离子的去溶剂化过程。氟化的DTF在高电压下表现出优异的稳定性，并有助于形成稳固的富含无机物的界面层。结果显示，采用该设计的电解质能够实现快速的电荷传输动力学，LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）||Li电池在-40°C下表现出优异的充放电循环稳定性，且容量超过153 mAh g–1，在4.8 V充电截止条件下循环100次后仍保持超过93%的初始容量。图1. 低温电解质的设计策略总之，该工作提出了一种基于分子静电势（ESP）分布函数进行合理筛选而开发的推–拉电解质设计策略，为高电压、低温锂金属电池（LMBs）提供了一种有前景的方法。所设计的DTF共溶剂展现出独特的ESP特性，有效地改进了溶剂化结构。DTF的双重功能增强了锂离子的脱溶和电荷转移动力学，同时在高电压下促进了稳定的界面层。基于此，NMC811||Li电池在-40 °C、4.8 V充电截止条件下的优异性能证明了该种设计策略的有效性。因此，该工作不仅推进了极端条件下电池电解质的开发，还为未来电解质设计提供了新方向。图2. 作用机制Push–Pull Electrolyte Design Strategy Enables High-Voltage Low-Temperature Lithium Metal Batteries， Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c09027
