［本站讯］近日，晶体材料全国重点实验室王书华教授、桑元华教授、刘宏教授提出了一种实现弱配位电解质的新范式：利用轨道重叠增强偶极-偶极相互作用，促进低温下锂离子在界面及体相的快速传输。相关成果以“Tailoring Weakly Coordinating Electrolytes via Orbital-Overlap Enhanced Dipole–dipole Interactions for Low Temperature Lithium-Ion Batteries”为题发表于国际期刊Advanced Materials。文章第一作者为晶体材料全国重点实验室2022级博士研究生闫春城，通讯作者为全球体育网页版教授刘宏、王书华、桑元华，南开大学特聘研究员梁家岩，全球体育网页版为第一作者和第一通讯单位。
低温环境下锂离子电池面临离子电导率下降、Li+去溶剂化动力学缓慢、电极-电解质界面中Li+传输受阻等问题，导致电池容量快速衰减和循环稳定性差，限制了其在寒冷地区的应用。近年来，弱配位电解液通过削弱Li+与溶剂的相互作用以降低脱溶剂化能垒，是提升锂电池低温性能的有效途径。目前弱配位电解液主要有两类：一是通过氟化或甲基化降低主溶剂的极性；二是引入大量（通常高达40~75 vol%）的非溶剂化共溶剂，利用分子间的氢键或偶极相互作用减弱Li+与溶剂之间的作用，从而构建弱配位电解液体系。然而，无论是降低溶剂极性还是引入大量的非溶剂化共溶剂，都会导致电解液的体相离子电导率低，严重限制了体相离子传输动力学。这制约了高比能锂电池在低温下的高容量发挥与长循环寿命。
基于轨道重叠增强偶极作用调控弱配位电解液的作用机制
基于此，研究团队通过向强配位溶剂碳酸二乙酯（DEC）中引入少量（10 vol%）非配位的五氟乙基三甲基硅烷（PFTMS），PFTMS中的强吸电子基团（?CF?CF?）赋予了中心Si原子极高的正电荷密度，使得Si的空3d轨道能够与DEC中羰基氧的2p轨道发生微弱的轨道重叠。这种轨道重叠极大地增强了PFTMS与DEC分子间的偶极-偶极相互作用，促使DEC内部电子密度重新分布并削弱了Li?-DEC的配位结合能，加速了界面处锂离子去溶剂化过程。弱配位体系进一步诱导阴离子进入溶剂化壳层，在正负极表面衍生出富LiF界面膜，促进离子在界面的传输。在无需大量添加非配位溶剂的前提下，PFTMS使电解液在-40oC极寒条件下依然保持1.56 mS cm-1的高离子电导率。基于PFTMS设计的电解液，石墨||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)电池在室温下表现出221.8 mAh g?1的初始容量，并在4.5 V高截止电压下循环1000圈后保持88.8%的容量。在?20 °C, 4.7 Ah石墨||NCM811软包电池在?20 °C下仍可实现219.8 Wh kg?1的能量密度；在?40 °C下，纽扣电池容量保持室温容量的69%。本工作为提高锂离子电池在低温极端条件下离子快速输运提供了全新的研究思路。
本研究得到了国家自然科学基金及晶体材料全国重点实验室的大力支持。
