近日，南开大学化学学院陈军院士团队连续在Angew. Chem. Int. Ed.和J. Am. Chem. Soc.期刊上发表2篇新论文，分别研究了不对称溶剂调节结晶限制的电解质助力全气候锂金属电池，以及调节氢氟醚和羰基阴极之间的静电相互作用实现高稳定性锂-有机电池。
其中，“Asymmetric Solvents Regulated Crystallization-Limited Electrolytes for All-Climate Lithium Metal Batteries”于2023年12月15日在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.期刊，“Regulating Electrostatic Interaction between Hydrofluoroethers and Carbonyl Cathodes toward Highly Stable Lithium–Organic Batteries”于2023年12月21日在线发表于J. Am. Chem. Soc.期刊。
不对称溶剂调节结晶限制的电解质助力全气候锂金属电池
能够保持液态的电解质是确保可再充电锂基电池在宽温度窗口下稳定运行时离子转移的最重要物理指标之一。人们普遍认为，具有高熔点的强极性溶剂有利于电池在室温以上安全运行，但在低温（≤-40°C）下易结晶。
研究人员提出了一种结晶限制策略来处理这个问题。研究证明，尽管亚硫酸亚乙酯（ES，-17°C）和氟碳酸亚乙酯（FEC，~23°C）的熔点很高，但它们的混合物可以避免在低温下结晶，这可归因于分子间的低相互作用和分子运动动力学的改变。
合适的ES/FEC比率（10%FEC）可以平衡离子的体积和界面传输，使LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2||锂（NCM811|| Li）全电池能够在-50°C至+70°C的宽温度范围内提供优异的温度弹性和循环稳定性。与室温相比，在-50°C时的容量保持率超过66%。
在不同温度下，NCM811||Li聚合物电池在实际条件下（电解质重量与阴极容量比（E/C）≤3.5g Ah-1，负电极与正电极容量比（N/P）≤1.09）表现出高循环稳定性。
调节氢氟醚和羰基阴极之间的静电相互作用实现高稳定性锂-有机电池
有机羰基电极材料由于其高容量、可再生性和环境友好性，在高性能锂电池中显示出巨大的前景。然而，这些材料在传统电解质中的高溶解度阻碍了其实际应用，导致循环稳定性差和严重的穿梭效应。
研究人员开发了一系列对有机羰基阴极材料具有弱静电相互作用的氢氟醚（HFEs），旨在解决锂电池中的溶解问题并实现高循环稳定性。理论计算表明，与常见溶剂如1,2-二甲氧基乙烷相比，HFE和芘-4,5,9,10-四酮（PTO）之间的静电相互作用明显较弱。通过原位紫外-可见光谱观测，PTO在HFE基电解质中的溶解显著减少。
值得注意的是，当使用基于具有一定配位能力的1,1,1,3,3-六氟-2-甲氧基丙烷电解质时，PTO表现出优异的循环稳定性，在1000次循环后具有78%的高容量保持率。
该项工作提出了通过调节静电相互作用，可抑制有机羰基阴极材料的溶解，并显著提高其循环寿命。
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相关论文信息：
https://doi.org/10.1002/anie.202310905
https://doi.org/10.1021/jacs.3c12358
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