鋰金屬是超低溫下高能可充電電池的理想負(fù)極，但與電解質(zhì)界面不穩(wěn)定。濃縮電解質(zhì)可以改善界面的穩(wěn)定性，但其粘度高，不利于鋰離子的遷移。本文設(shè)計(jì)共溶劑電解液以解決這一困境。研究人員通過在濃縮的乙酸乙酯（EA）基電解質(zhì)中添加電化學(xué)惰性二氯甲烷（DCM）作為稀釋劑，共溶劑電解質(zhì)顯示出-70℃下的高離子電導(dǎo)率（0.6mScm-1），低粘度（0.35Pas）和寬電化學(xué)窗口（0~4.85V）。

成果簡(jiǎn)介

近日，密歇根州立大學(xué)的YueQi和復(fù)旦大學(xué)及浙江師范大學(xué)的夏永姚（共同通訊作者）在德國(guó)應(yīng)用化學(xué)上發(fā)表了題為利用共溶劑法實(shí)現(xiàn)-70℃下高能量可循環(huán)金屬鋰離子電池的工作。該工作通過在濃縮的乙酸乙酯（EA）基電解質(zhì)中添加電化學(xué)惰性二氯甲烷（DCM）作為稀釋劑，實(shí)現(xiàn)了在-70℃下能量密度178Wh/kg，功率密度2877W/kg的可循環(huán)金屬鋰離子電池。

研究亮點(diǎn)

1、研究了超低溫下（-70℃）超大功率密度（2877W/kg）可循環(huán)的金屬鋰離子電池

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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2、運(yùn)用光譜分析和原子模擬的研究手段分析了共溶劑電解液的用途機(jī)理

圖1電解液的表征(a)不同溫度下電解液的粘度（b）離子電導(dǎo)率溫度依賴性研究;（c）5m-1-4共溶劑電解質(zhì)的DSC;（d）在+25℃下在5m-1-4電解質(zhì)中在Cu箔上剝離/電鍍Li和（e）在+25℃下Li||Li對(duì)稱電池的電壓曲線演變。

如圖1a所示，粘度在-70oC時(shí)呈指數(shù)新增至1.1×105mPas，成為低溫充電電池運(yùn)行的一大障礙。因此引入低粘度DCM作為稀釋劑以獲得5m-1-1,5m-1-4和5m-1-8共溶劑電解質(zhì)。正如在溫度依賴性離子電導(dǎo)率中所研究的那樣（圖1b），5m電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率在+25oC時(shí)為3mScm-1，與碳酸酯電解液相當(dāng)。從圖1c可以看出，5m-1-4電解液的凝固點(diǎn)低至-104.4℃，便于在超低溫下操作。圖1d中所示的Cu箔上的可逆Li電鍍/剝離行為表明其電化學(xué)相容性。5m-1-4電解液的Li||Li電池保持約100mV的極化循環(huán)超過450次，長(zhǎng)循環(huán)性能優(yōu)異。

圖2（a）C=O鍵的FT-IR的光譜研究;（b）TFSI-陰離子中的S-N-S和EA分子中的C=O鍵的拉曼光譜;（c）在+25℃下，關(guān)于5m-1-4電解質(zhì)，拉曼位移為850-860cm-1的空間映射;圖示說明稀釋電解質(zhì)（d），濃縮電解質(zhì)（e）和共溶劑電解質(zhì)（f）的溶劑化結(jié)構(gòu)。

由圖2a,隨著鹽濃度的新增，1704cm-1處的峰強(qiáng)度增強(qiáng)。關(guān)于5mEA基電解質(zhì)和共溶劑電解質(zhì)，1704cm-1處的峰值占優(yōu)勢(shì)，這意味著大多數(shù)EA溶劑分子與Li+緊密溶劑化。拉曼光譜2b也印證了這一點(diǎn)。在5m-1-4電解質(zhì)中，EA分子的空間分布位于852~854cm-1處（圖2c），這表明了Li+配位EA的重要成分。關(guān)于低濃度電解質(zhì)（圖2d），高溶劑與鹽的摩爾比導(dǎo)致形成溶劑分離的離子對(duì)（SSIP）。隨著濃度的新增，游離EA的數(shù)量將減少，而Li+配位的EA分子將新增。同時(shí)，陽(yáng)離子-陰離子（Li+-TFSI-）的結(jié)合將通過形成CIPs和AGGs而加強(qiáng)（圖2e）。正如先前分析的那樣，CIP和AGG的溶劑化結(jié)構(gòu)在引入惰性DCM（圖2f）后沒有變化，其既不溶解鹽也不破壞原始溶劑化結(jié)構(gòu)，形成具有共溶劑化結(jié)構(gòu)的局部高濃度電解質(zhì)。

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備

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圖3MD模擬的各種電解質(zhì)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。（a）稀釋（0.15m），濃縮（5m）和共溶劑（5m-1-4）電解質(zhì)的MD模擬盒的快照;（b）不同電解質(zhì)中圍繞Li+的EA分子和TFSI-陰離子的配位數(shù)，以及游離EA分子的摩爾分?jǐn)?shù);在+25℃（c）和-70℃（d）的電解質(zhì)中Li+陽(yáng)離子的MSD。

MD模擬電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的快照（圖3a）以及配位數(shù)（CN）分析（圖3b）揭示了Li+與TFSI-和EA分子配位的顯著的離子溶劑化簇。由圖3c-d可以發(fā)現(xiàn)，由于AGG的形成和游離EA的缺乏，5m電解質(zhì)中Li+的擴(kuò)散系數(shù)僅為+25℃下1m電解質(zhì)的大約10％。幸運(yùn)的是，擴(kuò)散系數(shù)在5m-1-4（6.8×10-6cm2s-1）中顯著新增了17倍，在-70oC時(shí)保持2.0×10-6cm2s-1（圖3d），使共溶劑電解液在低溫下仍能夠得以應(yīng)用。

圖4可充電Li||PI電池的電化學(xué)性能。（a）在+25℃和-70℃下的充放電曲線，在-70℃下的（b）倍率和（c）循環(huán)性能，（d）在+25℃和-70℃下的Ragone曲線。

有機(jī)聚酰亞胺（PI）具有優(yōu)異的低溫性能，因此這里被選為正極材料。Li||PI電池在-70oC時(shí)容量為84mAhg-1，倍率為0.2C（1C=183mAg-1）（圖4a），相當(dāng)于容量保持率為25℃下的69％。由圖4b-c可以看出，即使在超低溫（-70℃）下，Li||PI電池仍然展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。當(dāng)將溫度降至-70℃的超低溫時(shí)，Li||PI電池可以在64Wkg-1的比功率下供應(yīng)178Whkg-1的比能量，并且仍能在2877Wkg-1的高功率密度下保持17Whkg-1的比能量。