马里兰大学团队设计软溶剂锂离子电池电解液，在-60℃环境中可提供54%的室温容量

作为实现零碳目标的重要环节，汽车行业从燃油动力转向绿色电力是未来的发展趋势。

由中国汽车工程学会编制的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》指出，“到 2035 年，中国汽车产业应基本实现电动化转型。新能源汽车将逐渐成为主流产品，市场占比将超过 50%，燃料电池汽车保有量将达到 100 万辆左右。”

目前，尽管电动汽车的普及率在逐年攀升，但续航能力差、充电时间长、高/低温下性能衰减快及安全性问题，始终制约着电动汽车的进一步发展。

特别是电池的问题，始终是电动汽车的“老大难”。目前，市面上主流的锂离子电池在常规工作条件下的表现出色，但在极端条件下的性能却不尽如人意，这主要是由于目前电解液的局限性造成的。

比如，基于碳酸酯的商用电解液在大约 -30℃ 的低温下就会凝固，导致电池无法正常工作 。其电压窗口只能在 4.3 伏以内，并且易燃，极易形成安全隐患。

为了克服上述缺陷，美国马里兰大学化学与生物分子工程系教授、极端电池研究中心主任团队进行了大量的相关研究。最近，他们提出一种全新的电解液设计方法，将锂离子电池的工作温区从（-20℃，+50℃）扩展到（-60℃，+60℃）。

值得关注的是，该研究与工业界关联密切，在无需改变现有的电池材料和制备流程的前提下，只需要使用该新型电解液就能实现电池性能在各种极端条件下的全面提升，包括显著提升电池在极端条件下的耐温性、能量密度、快充性能、安全性。

图丨相关论文（来源：Nature）

2023 年 2 月 9 日，相关论文以《极端工作条件下锂离子电池的电解液设计》（）为题发表在 Nature 上[1]。

马里兰大学化学与生物分子工程系助理研究员为论文的第一作者，教授、美国陆军实验室奥列格·鲍罗丁（）博士为该论文的共同通讯作者。

表示：“想让锂离子电池在极端条件下实现最佳性能，不仅要拓宽电池的工作温区，还应兼顾充电效率、电压窗口和安全性。因此，这次的新研究可以说是电池领域的一次重大突破。”

这种基于软溶剂的电解液的全新设计方法，平衡了锂离子溶剂的相互作用、盐的溶解和电解质界面层。这使得电池的优异能能同时兼具了宽温区充放电能力（±60℃）、更高电压（≥4.5 伏）、快速充电（≤15 分钟）、更安全的 NMC811|| 石墨电池。

图丨电解质的物理特性和 MD 计算结果（来源：Nature）

在实验过程中，研究团队还发现，通过合理的电解液设计能够减少电池在低温条件下的容量衰减。通常来说，电动汽车锂离子动力电池的性能随温度的降低而下降，在 -10℃ 时，容量和工作电压会显著地降低。尤其是在 -20℃ 时，性能的衰退更明显，在该温度下其只能保持室温容量的 30% 左右。

该课题组设计的新型电解质，使 4.5 伏 NMC811|| 石墨电池在超低温（-50℃）环境中，仍可提供 75% 的室温容量。“即便电池的工作温度降低到 -60℃，也能保留超过一半的室温容量。”说。

图｜电解质的设计方法（来源：Nature）

那么，这种基于软溶剂的电解液设计方法究竟是如何起作用的呢？

首先，该方法的核心是筛选具有较低施主数（小于 10）和高介电常数（大于 5）的溶剂，从而保证锂盐的解离，同时最大限度地减小锂离子脱溶剂化能。

其次，研究人员将一种共溶剂成分添加至电解液，由于这种共溶剂具有高还原电位，进而在正极和负极形成相似的富含氟化锂的界面层，并促进正极和负极上的相似的嵌锂/脱锂动力学。

第三，利用分子动力学模拟，筛选出能够最大程度减小整体和界面阻抗的软溶剂和共溶剂分子，从而实现快速充放电。

最后，通过匹配正极和负极的热力学（容量）和动力学（阻抗），从而让 NMC811|| 石墨电池可实现快充和宽温区充放电，而不产生锂沉积。

图丨徐吉健在实验室（来源：）

为验证相关概念，该团队进行了实验。结果证明，1 MLiTFSI MDFA/MDFSA-TTE 电解液，能够在极端条件下实现负极和正极的容量和阻抗匹配。

面容量逾 2.5 mAh cm 2 的 4.5 伏 NMC811|| 石墨全电池在宽温度范围内（-60 °C 至 +60 °C）能实现稳定工作。并且，软包电池即便在 -30℃、300 次循环时，仍能实现超过 83% 的电池容量，其平均库伦效率在 99.9% 以上。

下一步，课题组将进一步设计电解液，以减少电荷转移的阻力，而不损害离子传导性。进一步提高电解液的离子电导，从而改善倍率性能，实现更好的快充性能。

据悉，这项研究的合作单位包括美国陆军实验室、罗格斯大学、新泽西州立大学、布鲁克海文国家实验室。

参考资料

1.J. Xu, J. Zhang, T.P. Pollard, Q. Li, S. Tan, S. Hou, H. Wan, Fu Chen, Huixin He, Enyuan Hu, Kang Xu, Xiao-Qing Yang, Oleg Borodin & C. Wang. “Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions,” Nature. (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05627-8