文章导读
你是否想过，电动车能在极寒与酷暑中稳定飞驰，还能实现五分钟快充？北理工团队最新突破让这一愿景照进现实。他们研发的多阴离子协同电解液，成功攻克了高电压锂金属电池在极端环境下的性能衰退难题。这项发表于顶级期刊的研究显示，新型电解液使电池在-10℃至60℃的严苛条件下依然保持90%以上容量，更实现了5C倍率快充和359Wh/kg的能量密度。揭秘其背后的技术核心：独特的阴离子配位结构构筑了超稳定电极界面，彻底抑制了枝晶生长和正极腐蚀。这不仅是电解液工程的重大突破，更为下一代动力电池的商业化铺平了道路。
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近日，北京理工大学化学电源与绿色催化北京市重点实验室孙克宁、白羽教授团队在高电压锂金属电池电解液方面取得重要研究进展。研究成果以“Enhanced Anion-Coordination Solvation Structure in High-Voltage Electrolyte Enables Wide-Temperature and Fast-Charging Lithium Metal Batteries”为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》。博士研究生李鑫为第一作者，文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202503420。
由高容量富镍NCM正极和锂金属负极组成的锂金属电池，虽能量密度高，但在高电压、宽温域及快充快放条件下，面临锂金属负极不稳定、正极结构退化及电解液分解等问题，循环稳定性差，限制其广泛应用。为提升其在极端条件下的性能，课题组开发了一种多阴离子协同弱溶剂化电解液策略。该电解液以FEC和EMC为弱溶剂化溶剂，通过三元阴离子体系（PF₆⁻/TFSI⁻/BOB⁻）调节溶剂化结构，构建了富含CIPs和AGGs的阴离子增强型溶剂化结构，降低了锂离子脱溶能垒，增强了Li⁺传输动力学。其形成的富含无机成分（如LiF、Li₂S、Li₂SOₓ、Li₃N和LiₓBOy）的稳定电极/电解液界面（EEI），具有优异的机械和热稳定性，可维持高电压正极结构稳定并抑制锂枝晶生长，且LiBOB可中和有害的氢氟酸，进一步提高电解液稳定性。实验表明，Li||NCM811电池在4.6 V高截止电压下，在-10至60 °C宽温度范围内循环稳定性卓越，在5C高倍率下充放电稳定，能量密度为359 Wh kg⁻¹的2.7 Ah软包电池也循环稳定性良好。该研究为高电压电解液工程提供新视角，推动LMBs向更广泛应用发展。
图1 电解液溶剂化结构分析
深入探究了不同电解液体系（EE、FE和PTB-FE）中锂离子溶剂化结构的差异。研究发现，FEC和EMC相较于EC具有更弱的溶剂化能力，这有助于减少溶剂与锂离子之间的配位作用。因此，在EE电解液中，锂离子主要与溶剂分子配位，形成以溶剂为主的溶剂化结构；而在FE电解液中，锂离子与阴离子的配位数明显增加，构建出阴离子增强的溶剂化环境。特别地，PTB-FE电解液通过引入TFSI⁻和BOB⁻阴离子，进一步削弱了溶剂与锂离子的配位作用，强化了阴离子在溶剂化壳层中的参与，从而显著提高了电解液中CIP和AGG的比例。总之，PTB-FE电解液通过引入特定的阴离子组合，成功地调节了锂离子的溶剂化结构，从而优化了电解液的性能，为电池性能的提升提供了重要支持。
图2 Li||NCM811电池的电化学数据
研究表明，采用PTB-FE电解液的Li||NCM811电池展现出优异的倍率性能和循环稳定性。在倍率性能测试中，电池在2C至10C的高倍率区间仍能保持较高放电容量，且在恢复至0.5C倍率后容量保持率高达91.2%，表现显著优于使用EE和FE电解液的电池。在长循环测试中，使用PTB-FE电解液的电池表现出卓越的容量保持能力。在4.6 V高压、0.5C倍率下循环200次后，电池容量保持率达到90%，明显高于采用EE电解液（73%）和FE电解液（78%）的电池。电化学分析进一步表明，使用该电解液的电池能更好地维持正极材料结构稳定性，有效减缓循环过程中的极化现象。研究还发现，采用PTB-FE电解液的电池在更严苛条件下仍保持良好性能。在5C高倍率、4.6 V高压条件下循环400次后，电池容量保持率仍达79%；在4.7 V超高电压下循环200次后，容量保持率为82%。此外，在Li||LiCoO2电池体系中，使用该电解液的电池循环200次后容量保持率达88%，展现出优异的体系适配性。
图3 CEI的结构和成分表征
进一步深入研究了不同电解液对NCM811正极材料表面化学组成和结构的影响。原位拉曼光谱显示，PTB-FE电解液中NCM811正极表面的溶剂分子信号在充放电过程中保持稳定，表明其可形成稳定CEI层，阻止溶剂分解；而EE和FE电解液中溶剂信号随循环减弱，表明溶剂分解显著。XPS分析表明，PTB-FE电解液形成的CEI层C含量低、F含量高，且含有Li₂SO₃、Li₂SO₄、LiBₓOy和Li₃N等无机成分，这些成分提升了CEI层的机械稳定性和离子导电性，稳定正极表面结构，加速界面反应动力学。TOF-SIMS分析也确认了PTB-FE电解液形成的CEI层中无机成分丰富，LiF₂⁻信号强，C₂HO⁻信号弱。这些无机成分减少了电解液与正极材料的副反应，显著提高了电池在高截止电压下的电化学性能。
图4 Li||NCM811电池的高低温性能和软包电池性能
进一步测试了PTB-FE电解液在不同温度下Li||NCM811电池的循环稳定性。首先，通过在60 ℃下储存三天后的电解液颜色变化和19F NMR分析，PTB-FE电解液显示出优异的热稳定性，没有检测到有害的HF生成，而FE电解液则因FEC分解而变色并产生HF。在60 ℃的高温条件下，PTB-FE电解液使Li||NCM811电池在4.6 V和1C的条件下循环200次后仍保持80%的容量，显著优于EE和FE电解液。此外，在-10 ℃的低温条件下，PTB-FE电解液同样表现出色，使电池在4.6 V和0.5C的条件下循环400次后容量保持率达到91%，而EE电解液在仅50次循环后就出现容量急剧下降。此外，PTB-FE电解液在实际应用中的表现也得到了验证，含有PTB-FE电解液的2.7 Ah级Li||NCM811软包电池在130次循环后仍保持87.3%的容量，该电池实现了359 Wh kg-1的高能量密度。
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