陈忠伟&王新Adv. Sci.: 锂金属电池极端温度工作下的电解液设计

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第一作者： 罗丹

通讯作者： 陈忠伟，王新

通讯单位： 华南师范大学，滑铁卢大学

论文DOI： 10.1002/advs.202101051

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华南师范大学王新教授联合滑铁卢大学陈忠伟院士综述了极端温度工作下的锂金属电池、锂硫电池及锂氧电池的电解液设计策略，阐述了从锂盐阴离子配体、溶剂化结构、电解液添加剂及固态电解质等方面改善其动力学及热力学行为，明确电解液设计对离子传导能力及界面稳定性的影响因素，为该领域未来的研究及实用化的推广做好铺垫。文章的第一作者是罗丹副研究员。

文章简介

锂金属电池因其使用的锂负极具有高理论容量及较低的还原电位而在电动汽车、大规模储能、航空航天等领域具有广阔的应用空间及重要的使用价值。然而锂金属电池在极端温度下工作时的电化学性能不尽人意，难以满足实用化的需求。为此，本文总结了包括锂金属电池、锂硫电池和锂氧电池在内的以锂金属作为负极的电池在低温工作（<0 °C）及高温工作(>60 °C)场景下的电解液设计策略，包括锂盐的遴选、溶剂化结构的优化、电解液添加剂的引入以及固态电解质的使用。文章也为如何克服低温电池的传质/传荷阻抗问题及高温电池的界面副反应问题进行深入分析，并展望未来极端温度工作锂金属电池的发展方向及实用化的可行性。

图1. 锂金属电池电解液设计策略概况。

图2. 低温条件下溶剂化结构对沉积形貌及电化学性能的影响。

图3. 低温条件下超浓电解液体系的物理性质及电化学性能图。

图4. 低温条件下添加剂对锂负极沉积形貌及电化学性能的影响。

图5. 高温条件下添加剂对锂负极沉积形貌影响及其反应机制。

图6. 高温条件下准固态电解质的物理化学性质。

图7. 高温条件下全固态电解质的物理化学性质及其示意图。

总结与展望

随着锂金属电池研究的不断升温，极端工作条件下的锂金属电池的研究将得到越来越多的关注，尤其是其稳定性及安全性还有待提升。为此，明确电解液设计在锂金属电池体系中的影响及其对极端条件下性能的提升作用显得极其重要。理解锂盐遴选、电解液组分调控、添加剂使用对电解液传质/传荷的反应动力学及热力学稳定性有助于指导电解液的设计以实现最优性能。电解液的固态化也为宽温、高安全性电池的研发与使用提供了新的途径。此外，对于锂金属电池而言，电解液的设计还需要综合考虑电池的能量效率、环境友好性、安全性、循环稳定性及性价比以平衡电池的各方面性能。目前的技术难以制备出能在极低温度下工作的高能量密度锂金属电池(>300 Wh kg−1) 和能在极高温度下工作的高安全性、长寿命锂金属电池(>500 cycles) ，亟需开发新的电解液体系从而满足实用化需求，例如，全氟化电解液、局部超浓电解液、固态电解质等。总之，极端温度工作下的锂金属电池将是未来电池研究的重要领域之一，是锂金属电池实用化之路上不可或缺的一块基石。

通讯作者介绍

王新教授：王新，华南师范大学研究员，广东省杰出青年，主要研究方向为新能源材料与器件。曾获得教育部自然科学奖一等奖，主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省新型研发机构等项目；目前已申请专利66件，获批专利30件，并以第一作者或通讯作者发表论文58篇，被引次数达 3400 次，H 值为 29。相关代表性研究成果以第一作者或通讯作者发表在Nat. Commun.，J. Amer. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B, Energy Storage Mater. 等行业高水平期刊上。

陈忠伟教授：陈忠伟，加拿大滑铁卢大学化学工程系教授，滑铁卢大学电化学能源中心主任，加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，入选全球高被引科学家。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队常年致力于燃料电池，金属空气电池，锂离子电池，锂硫电池，锂硅电池，液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci., 等国际知名期刊发表SCI论文300余篇，被引35000余次，H-index指数93，并担任ACS applied & Material Interfaces副主编。课题组主页：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/