當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池主要使用碳酸酯類電解液，該類電解液在低溫下黏度增大，甚至部分凝固，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率急劇下降，這大大限制了鋰離子電池的低溫性能，制約了鋰離子電池在特種航天、特種、電動車等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，鋰離子電池在-40℃時(shí)放電容量只有室溫容量的12%左右。添加低熔點(diǎn)的有機(jī)溶劑是改善電解液和電池低溫性能的一種有效途徑。乙酸乙酯具有較低的熔點(diǎn)（-84℃），可作為低溫電池的電解液溶劑，在-70℃下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但是其電化學(xué)穩(wěn)定窗口較窄（1.5V-4.7V），高容量金屬鋰負(fù)極在上述電解質(zhì)溶液中不穩(wěn)定，電池體系的能量密度較低。高鹽濃度電解液能夠有效提高電解液的氧化/還原穩(wěn)定性，但是高濃度必然導(dǎo)致其低溫下黏度的增加。因此如何設(shè)計(jì)一種對金屬鋰穩(wěn)定、低黏度且高電導(dǎo)率的電解液，是實(shí)現(xiàn)低溫下高能量密度電池體系的一大挑戰(zhàn)。

近期，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系夏永姚教授團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)共溶劑電解液體系，成功實(shí)現(xiàn)了超低溫-70℃條件下的高能量密度可充鋰金屬電池。

通過向高濃度電解液中引入低黏度的電化學(xué)惰性的稀釋劑（5m雙三氟磺酰亞胺鋰/乙酸乙酯+二氯甲烷，體積比1：4），所得電解液體系不僅保留了高濃度電解液具有的寬電壓窗口，還解決了高鹽濃度帶來的高粘度難題。綜合利用光譜表征技術(shù)、分子動力學(xué)模擬及第一性原理等分析手段，揭示了電解液特殊的共溶劑結(jié)構(gòu)，鋰鹽與乙酸乙酯的溶劑化層結(jié)構(gòu)并未受到稀釋劑二氯甲烷的影響，這保證了該電解液具有較寬的電壓穩(wěn)定窗口（0-4.85V），低溫（-70℃）下保持較低的粘度（0.35Pas）和較高的離子電導(dǎo)率（達(dá)0.6mScm-1），并且表現(xiàn)出對金屬鋰的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。基于此電解液組裝得到的金屬鋰電池在超低溫-70℃時(shí)有較高的容量保持率（常溫容量的69%）。根據(jù)電池正負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量之和，電池體系在超低溫時(shí)依然表現(xiàn)出較高的能量密度（178Whkg-1）和功率密度（2877Wkg-1）。這種電解液的設(shè)計(jì)不僅保證了優(yōu)異的電化學(xué)性能，還為極端工作溫度下的高能量密度電池體系提供了新的思路。

相關(guān)工作發(fā)表在Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,5623-5627。文章第一作者為博士后董曉麗。該工作得到了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、能源與材料協(xié)同創(chuàng)新中心、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)及面上項(xiàng)目、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、博士后面上基金等項(xiàng)目的大力支持。