本文介绍了锂离子电池在极端温度下面临性能挑战的现状，清华大学和新加坡南洋理工大学合作研究使用锂盐来解决这些问题的方法。通过调节阴离子的种类和浓度来优化溶剂化鞘层和电双层结构，从而拓宽锂离子电池的工作温度范围。文章详细阐述了使用硝酸锂（LiNO₃）作为主盐构建阴离子调控的溶剂化结构和双电层的反应过程，并在极端温度下的性能表现。最后，通过对比不同主锂盐基电解液在极端温度下的电化学性能，验证了LiNO₃基电解液的卓越性能。
LiNO₃基电解液通过构建阴离子主导的溶剂化鞘和EDL区域，有效提高了电池在低温下的容量保持率和高温下的稳定性和循环性能。在-60°C时保持了56.1%的容量，并在80°C下稳定循环了400次。
通过对比不同主锂盐基电解液在极端温度下的电化学性能，验证了LiNO₃基电解液的卓越性能，为解决电解液在宽温度范围内稳定性问题提供了新的思路。
锂离子电池作为现代电子设备和电动汽车的核心储能技术，其性能在很大程度上受到工作温度的限制。目前的锂电池在极端温度条件下，无论是高温还是低温，都会出现明显的性能下降。传统的宽温电解质设计通常通过调控溶剂化鞘和选择具有极端熔点/沸点的溶剂来解决这些挑战。然而，这些溶剂介导的溶液虽然在一个极端温度下有效，但在宽温度下难以保持溶剂稳定性，在另一极端温度常常性能不佳。
清华大学和新加坡南洋理工大学合作，使用锂盐同时解决极高和低温下的界面挑战。通过调节阴离子的种类和浓度来优化溶剂化鞘层和电双层结构，从而拓宽锂离子电池的工作温度范围。研究人员对比分析硝酸锂（LiNO₃）、双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）、双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）和二氟草酸硼酸锂（LiDFOB）等锂盐对溶剂化结构的影响，揭示了锂盐在调控锂离子溶剂化鞘中的关键作用。研究发现，基于LiNO₃的电解液展现出显著的阴离子参与溶剂化结构的特性，其拉曼光谱中自由阴离子（FA）、接触离子对（CIP）和离子聚集体（AGG）的特征峰表明NO₃⁻进入了溶剂化鞘。相比之下，LiTFSI基电解液的溶剂化鞘主要由溶剂控制，阴离子参与度仅为9.8%，远低于LiNO₃基电解液的56.8%。通过同步宽角X射线散射（SWAXS）和分子动力学（MD）模拟进一步确认了LiNO₃基电解液中离子对和聚集体的高比例，以及阴离子在电双层（EDL）区域的控制作用。这些结果表明，LiNO₃作为主盐能够有效构建以阴离子为主的溶剂化鞘，显著降低低温下脱溶过程的能垒，从而实现高容量保持率。然后，研究了不同主锂盐对EDL区域的影响。通过核磁共振（NMR）和MD模拟，发现LiNO₃基电解液在电极-电解液界面形成了高密度的阴离子分布，显著减少了自由溶剂分子的含量。这种阴离子主导的EDL区域有助于在高温下形成稳定的阴离子分解产物（如氧化锂
和氮化锂
）构成的固体电解质界面（SEI）层。相比之下，基于LiTFSI的电解液在高温下无法有效限制Li⁺的扩散，导致SEI层的快速增厚和结构不稳定。LiNO₃基电解液通过构建阴离子控制的EDL区域，有效提高了电池在高温下的稳定性和循环性能。随后，研究热人员通过X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）等手段，研究了不同主锂盐基电解液在钴酸锂（LCO）正极表面形成的SEI的组成和结构。结果表明，LiNO₃基电解液通过阴离子调控的EDL区域，能够有效构建稳定的SEI层，从而在极端温度条件下提升电池的性能和稳定性。最后，研究人员通过对比4种主锂盐基电解液在极端温度下的电化学性能，验证了LiNO₃基电解液的卓越性能。研究发现，在-60°C的极低温度下，LiNO₃基电解液的LCO正极展现出56.1%的容量保持率，远高于其他传统锂盐基电解液，后者在该温度下几乎无法工作。通过电化学阻抗谱（EIS）和松弛时间分布（DRT）分析，LiNO₃基电解液在低温下的电荷转移阻抗显著低于LiTFSI基电解液，表明其在低温下具有更快的电荷转移动力学。此外，在80°C的高温下，LiNO₃基电解液的LCO正极在400个循环后仍能保持80.0%的容量，而其他锂盐基电解液在50个循环后就出现了快速的容量衰减。这些结果表明，LiNO₃基电解液通过构建阴离子主导的溶剂化鞘和EDL区域，有效解决了锂离子电池在宽温度范围内的性能挑战，为开发高性能、宽温度适应性的锂离子电池提供了新的思路。
图
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用于宽温锂电池的盐介导电解质化学反应过程
该研究报道了使用锂盐来同时解决极高和极低温度下的界面问题。这一方法不同于传统的溶剂介导策略。作为概念验证，研究人员使用硝酸锂（LiNO3）构建了阴离子调控的溶剂化结构和双电层。所制备的电解液在极端温度下表现出优异的性能，在−60°C时保持了56.1%的容量，并在80°C下稳定循环了400次。相比之下，采用传统溶剂介导策略的电解液在−60°C下无法正常运行，并且在80°C下无法超过50次循环。该研究为解决电解液在宽温度范围内稳定性的问题提供了新的思路。相关研究成果发表在《Journal of the American Chemical Society》。
文献来源：Yuan S, Cao S K, Chen X, et al. Anion-Modulated Solvation Sheath
and Electric Double Layer Enabling Lithium-Ion Storage From −60 to 80 °C. Journal of the American Chemical Society,
2025. DOI: 10.1021/jacs.4c13011
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