石墨負(fù)極憑借著較低的電位、優(yōu)異的穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛研究和應(yīng)用。在電池工作過(guò)程中，鋰離子經(jīng)歷電解液本體傳導(dǎo)、界面脫溶劑化并穿過(guò)固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）和在石墨層間的擴(kuò)散，完成石墨負(fù)極的嵌鋰過(guò)程。當(dāng)在低于零攝氏度條件下對(duì)石墨負(fù)極進(jìn)行充電（鋰離子嵌入過(guò)程）時(shí)，由于去溶劑化過(guò)程難和固體電解質(zhì)界面（SEI）中離子擴(kuò)散慢等所產(chǎn)生的較大的過(guò)電位，導(dǎo)致石墨嵌鋰?yán)щy甚至無(wú)法嵌入而發(fā)生析鋰，造成電池低溫性能惡化，較差的低溫性能阻礙了石墨負(fù)極在低溫等極端環(huán)境下的進(jìn)一步應(yīng)用。如何提升極端條件下石墨和石墨基鋰離子電池體系的電化學(xué)性能，是石墨負(fù)極應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。
鋰離子在液相和固體SEI膜的傳輸性質(zhì)與電解液組成密切相關(guān)。為滿足石墨負(fù)極快速充電和低溫運(yùn)行的需求，需要尋找具有高離子電導(dǎo)率、低凝固點(diǎn)、弱溶劑化親和力和優(yōu)異成膜特性的電解液，以改善極化過(guò)電勢(shì)和加速鋰離子的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。近日，復(fù)旦大學(xué)的夏永姚教授和董曉麗副教授利用弱溶劑化的溶劑（三氟乙酸乙酯）和成膜溶劑（氟代碳酸乙烯酯）設(shè)計(jì)了一種新的電解液，其中三氟乙酸乙酯的弱溶劑化特點(diǎn)有利于高倍率或低溫下的去溶劑化過(guò)程，氟代碳酸乙烯酯不僅提供優(yōu)異的成膜穩(wěn)定性，其高介電常數(shù)可以有效提高電解液在寬溫域的離子電導(dǎo)率。論文還研究了不同溫度下SEI膜的厚度、成分和離子傳輸性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)常溫下形成的穩(wěn)定SEI膜在寬溫域內(nèi)均表現(xiàn)出較低的阻抗，使電池能夠在低溫環(huán)境下工作（可逆充放電）。 在該工作中，基于ETFA-FEC電解液的電池表現(xiàn)出較高的容量，即使將倍率提高到6C，仍表現(xiàn)出180mAh g-1的高可逆容量，與傳統(tǒng)碳酸鹽電解質(zhì)相比，倍率性能和快速充電能力顯著提高。弱溶劑化電解液和優(yōu)質(zhì)SEI膜的協(xié)同作用不僅使石墨負(fù)極具有6C的快速充電能力，同時(shí)在-30℃的低溫下實(shí)現(xiàn)了高可逆容量（183 mAh g-1），容量保持率達(dá)常溫容量的50%。此外，與磷酸鐵鋰正極組裝的全電池在-30℃進(jìn)行充放電，仍有78%的常溫容量保持率。這項(xiàng)工作為低溫電解液設(shè)計(jì)和界面調(diào)控提供了有力的支撐和指導(dǎo)，推動(dòng)石墨基鋰離子電池在極端環(huán)境下的應(yīng)用。 論文信息 Synergy of Weakly-Solvated Electrolyte and Optimized Interphase Enables Graphite Anode Charge at Low Temperature Yang Yang,? Zhong Fang,? Yue Yin, Yongjie Cao, Yonggang Wang, Xiaoli Dong,* and Yongyao Xia* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202208345
