-70℃高能量密度可充锂金属电池

当前商业化的锂离子电池主要使用碳酸酯类电解液，该类电解液在低温下黏度增大，甚至部分凝固，导致离子电导率急剧下降，这大大限制了锂离子电池的低温性能，制约了锂离子电池在特种航天、特种、电动车等领域的广泛应用。据文献报道，锂离子电池在-40℃时放电容量只有室温容量的12%左右。添加低熔点的有机溶剂是改善电解液和电池低温性能的一种有效途径。乙酸乙酯具有较低的熔点（-84℃），可作为低温电池的电解液溶剂，在-70℃下表现出优异的性能，但是其电化学稳定窗口较窄（1.5V-4.7V），高容量金属锂负极在上述电解质溶液中不稳定，电池体系的能量密度较低。高盐浓度电解液能够有效提高电解液的氧化/还原稳定性，但是高浓度必然导致其低温下黏度的增加。因此如何设计一种对金属锂稳定、低黏度且高电导率的电解液，是实现低温下高能量密度电池体系的一大挑战。

近期，复旦大学化学系夏永姚教授团队通过优化设计共溶剂电解液体系，成功实现了超低温-70℃条件下的高能量密度可充锂金属电池。

通过向高浓度电解液中引入低黏度的电化学惰性的稀释剂（5m双三氟磺酰亚胺锂/乙酸乙酯+二氯甲烷，体积比1：4），所得电解液体系不仅保留了高浓度电解液具有的宽电压窗口，还解决了高盐浓度带来的高粘度难题。综合利用光谱表征技术、分子动力学模拟及第一性原理等分析手段，揭示了电解液特殊的共溶剂结构，锂盐与乙酸乙酯的溶剂化层结构并未受到稀释剂二氯甲烷的影响，这保证了该电解液具有较宽的电压稳定窗口（0-4.85V），低温（-70℃）下保持较低的粘度（0.35Pas）和较高的离子电导率（达0.6mScm-1），并且表现出对金属锂的化学和电化学稳定性。基于此电解液组装得到的金属锂电池在超低温-70℃时有较高的容量保持率（常温容量的69%）。根据电池正负极活性物质质量之和，电池体系在超低温时依然表现出较高的能量密度（178Whkg-1）和功率密度（2877Wkg-1）。这种电解液的设计不仅保证了优异的电化学性能，还为极端工作温度下的高能量密度电池体系提供了新的思路。

相关工作发表在Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,5623-5627。文章第一作者为博士后董晓丽。该工作得到了复旦大学化学系、能源与材料协同创新中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点及面上项目、博士后创新人才支持计划、博士后面上基金等项目的大力支持。