根據(jù)專(zhuān)家的研究：鋰離子電池短時(shí)間在低溫環(huán)境下使用,或者溫度不夠低的情況下，只會(huì)暫時(shí)影響鋰離子電池的電池容量,但不會(huì)造成永久傷害。但是假如長(zhǎng)時(shí)間在低溫環(huán)境中使用,或者在-40℃超低溫環(huán)境中,鋰離子電池可能會(huì)被凍壞造成永久損害。

另外,在低溫情況下對(duì)鋰離子電池充電,會(huì)在電池陽(yáng)極表面析出金屬鋰,而且這個(gè)過(guò)程不可逆。這樣就會(huì)對(duì)電池造成永久損害,降低電池的安全性。所以很多鋰離子電池設(shè)備會(huì)有保護(hù)裝置,使得在低溫情況下無(wú)法充電。

鋰離子電池的工作溫度是-20℃-60℃，采用特殊材料做的低溫鋰離子電池可以在-40℃高寒環(huán)境中放電。但是電壓和容量會(huì)降低，比如聚合物單節(jié)電芯充滿(mǎn)電是4.2V，把它放在-40℃環(huán)境中，電壓會(huì)迅速降到3.4V以下，低溫放電容量可以做到標(biāo)稱(chēng)容量80%以上。低溫電池只得是在低溫環(huán)境中放電，但是也沖不了電。因?yàn)殇囯x子電池材料特性，在低溫環(huán)境中充電會(huì)對(duì)電池造成嚴(yán)重的損害。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(guò)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(guò)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

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

圖文導(dǎo)讀

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(lài)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(chēng)電池的電壓曲線(xiàn)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(lài)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(guò)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(shuō)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(guò)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(méi)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)。