可充電鋰離子電池(LIB)對于現代便攜式電子設備在極端環境下的運行至關重要，在超低溫度(?30℃或以下)下，電池能量密度的降低限制了電動汽車、海底、軍事和國防設備以及太空探索的應用。原則上，這既可以通過提高電池的基準能量密度來實現，也可以通過改善電荷轉移動力學來減輕低溫下的能量損失。

為了改善前者，目前用鋰金屬來替代石墨，來獲得更高的能量密度。然而，金屬鋰陽極循環穩定性較差，金屬鋰的高活性加上體積變化大，必然會產生低的庫侖效率(CE)，限制了實際的循環性。另一方面，眾所周知，LIBs和LMBs的容量保持和工作電壓在?30℃以下時都會嚴重受損。這種性能下降歸因于許多因素，包括離子在電解質中的傳輸阻抗增加，以及Li⁺通過固體電解質界面(SEI)的遷移。最重要的是，Li⁺去溶劑化被認為是主要的阻抗貢獻者，并與界面上Li⁺/溶劑結合能相關。一般來說，通過使用低熔點和/或低極化率溶劑，新型鹽添加劑以及最近的表面功能化，這些電阻已經被最小化，Gao等人證明了顯著的Li可逆性，可降低到?15 °C。雖然已經取得了很大的進展，但直接改善脫溶動力學的方法在很大程度上還是未知的。

加州大學圣地亞哥分校Ping Liu，Zheng Chen和Tod A. Pascal?（通訊作者）等人在Nature Energy發表最新的成果，建立了超低溫循環下鋰金屬電池電解液溶劑化與金屬鋰沉積形貌的關系。

作者通過比較1M LiFSI/二乙醚（DEE）電解液和1M LiFSI/(DOL/DME)電解液的低溫鋰沉積行為，并結合理論計算，證明了電解質的局部溶劑化結構決定了超低溫下的電荷轉移行為，這對獲得高鋰金屬庫侖效率和避免枝晶生長至關重要。這些見解被應用于鋰金屬全電池，一個高載量的硫化聚丙烯腈(SPAN)正極（3.5 mAh cm^?2）與鋰金屬陽極（正負極容量1：1）匹配，使用1M LiFSI/DEE電解液，在?40℃和?60℃循環時，其容量分別為室溫下容量的84%和76%，循環50次后性能穩定。

本研究為超低溫電池的運行設定了性能標準，并揭示了在分子水平上實現這一目標的關鍵電解質設計策略。

圖1. 低溫LMBs的操作方案及其電解質結構對超低溫鋰沉積的意義

圖2. 金屬鋰在溫和和超低溫下的性能和表征

圖3. 鋰表面SEI與電解質離子電導率的研究

圖4. 電解質結構的理論和實驗分析

圖5. 提出了電解質結構與脫溶劑化的關系

圖6. 1× Li|| SPAN全電池在溫和條件和超低溫下的全電池性能

圖7. 本工作的歷史背景

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