LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ 正極的超高能量密度（>400 Wh/kg）鋰金屬電池的電解質(zhì)要求能承受高電壓（≥4.7 V），并能適應(yīng)較寬的溫度范圍。然而，在高溫高壓條件下，電池性能會(huì)因電極-電解質(zhì)的劇烈反應(yīng)而下降，而在低溫條件下，鋰枝晶通常會(huì)因動(dòng)力學(xué)不良而過(guò)度生長(zhǎng)。

在此，華中科技大學(xué)黃云輝，韓建濤，方淳等人提出了一種高混沌電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略，該策略可促進(jìn)形成涉及多種陰離子的弱溶劑化結(jié)構(gòu)。通過(guò)定制富含多重陰離子的Li⁺-EMC-DMC-DFOB–PO₂F₂–PF₆–溶劑化鞘，獲得了穩(wěn)健的富無(wú)機(jī)電解質(zhì)界面（EEI），在高壓（4.7 V）和高溫（45 ℃）條件下可抵抗激烈的界面反應(yīng)。

此外，多陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)削弱了 Li⁺ 的溶劑化，有利于 Li⁺ 在低溫（-30 ℃）下去溶劑化劑，大大提高了電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)。

圖1. 高混沌電解質(zhì)的設(shè)計(jì)機(jī)理圖

總之，該工作通過(guò)高混沌電解質(zhì)進(jìn)一步優(yōu)化溶劑化化學(xué)反應(yīng)，開發(fā)出了一種高電壓、寬溫度鋰金屬電池。在正極和負(fù)極均獲得了由 Li⁺-EMC-DMC-DFOB–PO₂F₂–PF₆– 高混沌溶劑化鞘形成的堅(jiān)固的富無(wú)機(jī)界面膜，該界面膜在高電壓和高溫條件下可抵抗劇烈的界面反應(yīng)，并能長(zhǎng)期保持優(yōu)異的穩(wěn)定性能。

因此，以 NCM811 為正極的鋰金屬電池在 -30 至 45 ℃ 的溫度范圍內(nèi)和 4.7 V 的超高截止電壓下都表現(xiàn)出了卓越的電化學(xué)性能。在 4.7 V 和 45 ℃ 下，HCE 電池在 200 個(gè)循環(huán)后的容量保持率接近 80%，明顯高于 BLE 電池的 42%。在 4.7 V 和 -30 ℃ 下，HCE 電池的比放電容量高達(dá) 126 mAh g^-1，在 200 個(gè)循環(huán)后仍保持 92 mAh g^-1，而 BLE 電池的容量迅速下降到幾乎為0。

該工作為調(diào)控高混沌電解質(zhì)提供了一種創(chuàng)新策略，以進(jìn)一步優(yōu)化溶劑化化學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)高電壓和寬溫度應(yīng)用。

圖1. 電池性能

High Chaos Induced Multiple-Anion-Rich Solvation Structure Enabling Ultrahigh Voltage and Wide Temperature Lithium-Metal Batteries, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c09759