第一作者：Ping Liang通讯作者：程方益通讯地址：南开大学论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202415853研究团队开发了一种非浓缩且无氟的醚基电解液，通过调节离子偶极相互作用和电双层中的竞争吸附，显著提升了电解液在高电压和低温条件下的稳定性，从而为高能量密度和宽温度范围的锂离子电池应用提供了新的解决方案。随着电动汽车和大规模储能市场的发展，锂离子电池（LIBs）需要在更宽的温度范围和更高的电压下稳定运行，以提高能量密度和满足不同环境条件的需求。传统的基于碳酸酯的电解液在低温下性能受限，因为它们的液相温度范围较窄。而醚类溶剂因其低冰点、低粘度和高离子导电性，显示出更好的抗低温性能。然而，醚基电解液的氧化电位较低（通常低于4.0 V vs. Li+/Li），限制了其在高电压电池中的应用。在高电压充电过程中，醚类溶剂容易在电解液本体中发生氧化分解，并且在高镍含量的正极材料（如NCM811）表面聚集的游离醚分子会进一步催化分解，导致电池性能下降。在高电压下，醚基电解液难以在正极表面形成稳定的抗氧化正极电解液界面（CEI）层，这会导致严重的界面退化、过渡金属溶解和容量衰减。为了提高醚基电解液的氧化稳定性，研究者们探索了多种策略，包括开发高浓度或局部高浓度电解液、弱溶剂化电解液以及氟代策略。这些方法虽然取得了一定的进展，但也带来了离子导电性下降和生产成本增加的问题。图1：分析了不同电解液中Li+-THF/THF-Li+-阴离子复合物的配位环境，包括电静势计算、结合能、结合能变化、FTIR谱图和拉曼光谱等，揭示了离子偶极相互作用对溶剂化结构的影响。 图2：展示了P2B2D6电解液在低温下的电荷转移动力学和电化学性能，包括锂离子迁移数、交换电流、活化能以及不同温度下的离子电导率和DSC曲线，说明了离子偶极相互作用对电解液低温性能的积极影响。图3：通过原位拉曼光谱分析了P2B2D6和LiDFOB电解液在充放电过程中工作电极表面的溶剂化环境变化，以及不同电解液在正极表面的吸附能和零电荷电位，揭示了电解液/正极界面的溶剂化化学和其对电池性能的影响。图4：对循环后的NCM811正极和CEI层进行了表征，包括SEM、TEM图像和XPS谱图，分析了不同电解液中形成的CEI层的组成和结构，以及它们对正极稳定性的影响。图5：展示了使用不同电解液的Li||NCM811电池的电化学性能，包括循环稳定性、倍率性能、不同充电电压下的容量、恒压浮动测试中的漏电流以及GITT测量的锂离子扩散系数，证明了P2B2D6电解液在高电压和低温条件下的优势性能。通过多阴离子调制策略，研究团队成功地提高了无氟醚基电解液在高电压和低温条件下的稳定性和兼容性。P2B2D6电解液通过离子偶极相互作用优化了溶剂化结构，增强了电解液的氧化稳定性，并在正极表面形成了富含无机物的抗氧化CEI层。这种电解液使得高电压Li||NCM811电池在200个循环后保持了93.10%的容量保持率，并且在4.5V高电压和-30°C低温条件下展现了出色的性能。这项工作不仅阐明了离子偶极相互作用在稳定醚基电解液中的作用，而且为高能量、低温锂离子电池的电解液设计提供了新的策略。
