高電壓鋰金屬電池被視為下一代極具前景的高能量密度儲能器件之一，不斷朝著電動汽車、太空探索、海底作業(yè)和大規(guī)模電網(wǎng)儲能等應用領域發(fā)展。這意味著儲能電池需要兼顧高能量密度、高安全性和寬的應用溫度范圍。但是目前廣泛使用的商業(yè)碳酸酯類電解液很難滿足上述需求，一方面，商業(yè)電解液中碳酸酯類溶劑較高的熔點和低的電化學窗口會大大限制電池在低溫和高電壓條件下的性能；另一方面，鋰金屬表面不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)中間相(SEI)會導致鋰枝晶的生長，極易刺穿隔膜，導致電池發(fā)生內(nèi)短路從而引起熱失控，同時碳酸酯類有機溶劑極易參與燃燒反應，從而造成嚴重的安全隱患。
為了解決上述問題，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所吳曉東團隊研究人員在不可燃電解液和安全鋰金屬電池方面取得一系列研究進展。他們從調(diào)控鋰離子溶劑化結(jié)構的角度出發(fā)，采用高濃度鋰鹽搭配離子液體溶劑和低粘度有機溶劑，構建了雙陰離子型阻燃電解液，并成功應用于高電壓鋰金屬電池體系（Energy Storage Materials, 2020, 30, 228-237）。為了改善電解液的潤濕性和鋰金屬電池倍率性能，研究團隊進一步采用非極性氫氟醚稀釋劑策略，在不改變高濃度電解液溶劑化結(jié)構的前提下，有效降低電解液黏度和成本，構建了本質(zhì)不燃局部高濃度離子液體基電解液，成功提高電解液離子電導率和對隔膜的浸潤性，有效提高鋰金屬電池倍率和循環(huán)穩(wěn)定性（Advanced Energy Materials, 2021, 11, 2003752）。
近期，為進一步降低成本以便更好地滿足應用需求，研究團隊將不燃的低粘度低熔點氫氟醚惰性稀釋劑與低熔點離子液體溶劑混合，同時創(chuàng)新性地采用超低濃度（0.1 mol/L）的雙氟草酸硼酸鋰LiDFOB作為鋰鹽，成功制備出了一種可應用于寬溫度范圍和高電壓鋰金屬電池體系的新型電解液。該類電解液具有極寬的液態(tài)溫度范圍(-100~ +70 ℃)，超高的電化學窗口(~ 5.75 V)和完全不燃等特性。同時由于其具有特殊的鋰離子溶劑化結(jié)構和離子液體有機陽離子的靜電屏蔽作用，有利于形成穩(wěn)定的SEI層，從而有效抑制鋰金屬負極鋰枝晶的生長，大大提高鋰金屬電池庫倫效率和循環(huán)性能。采用此類超低濃度電解液可以有效降低成本，同時組裝的NCM622/Li鋰金屬電池在4.5 V高電壓和-60~ +70 ℃超寬溫度范圍都展現(xiàn)出優(yōu)秀的電化學性能。
相關成果以Advanced Ultralow-Concentration Electrolyte for Wide-Temperature and High-Voltage Li-Metal Batteries為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。該工作得到了國家自然科學基金面上項目等資助。
圖1 不同電解液溶劑化結(jié)構和鋰金屬界面化學行為流程圖及燃燒性測試
圖2 鋰金屬負極穩(wěn)定性測試
圖3 超低濃度電解液溶劑化結(jié)構及鋰金屬表面SEI表征
圖4 高電壓NCM622/Li鋰金屬電池電化學性能測試
（來源：蘇州納米技術與納米仿生研究所）