文章信息
第一作者：陈龙
通讯作者：陈重学*，曹余良*
单位：武汉大学动力与机械学院，化学与分子科学学院
研究背景
尽管锂离子电池(LIB)在过去数十年间发展迅速，占据了3C和动力电池市场的绝大多数份额，其不安全性以及在低温(＜-30℃)和高温(＞60℃)下较差的工作表现严重制约了其进一步发展。由于材料选择有限，在工业上很难通过对正负极材料改性来提高电池的宽温性能，因此，优化电解液体系的设计成为了目前拓宽锂离子电池工作温度范围最可行、最经济的方法。
文章简介
针对锂离子电池宽温电解液的设计问题，武汉大学曹余良教授和陈重学副教授团队在《Battery Energy》期刊上发表题为“Toward Wide-Temperature Electrolyte for Lithium-Ion Batteries”的文章。此工作从电解液的组成方面(包括溶剂、锂盐、添加剂)总结了近年来锂离子电池低温、高温和宽温电解液的研究进展，阐述了低温、高温电解液的设计思路并对各种设计方法进行了评估，并最终探索了宽温电解液设计的指导原则以及可能的研究方向。
锂离子电池在低温下性能衰减的原因主要有以下几点：1）目前电解液中主要组分包含了高熔点溶剂EC，低温下会导致电解液粘度增大，电导率降低；2）低温下电荷转移阻抗会显著增加，导致较大的极化；3）Li+在电极中的迁移速率显著下降；4）负极出现析锂现象，既会导致电解液不断被分解，也会出现枝晶问题，带来严重的安全隐患。因此，改性电解液低温性能的策略（图3）主要包括：i)溶剂方面，采用多元溶剂体系设计，选取合适的熔点较低的共熔剂（线性碳酸酯，羧酸酯）；ii)锂盐方面，可以采取混合锂盐体系，也可以选择合适的锂盐作为添加剂；iii)添加剂方面，主流策略依然是使用一种或多种的成膜添加剂。
图 1、不同领域对动力电池工作温度范围的需求
图 3 、锂离子电池低温电解液的设计思路
锂离子电池在高温下存在的问题主要是锂盐LiPF6以及线性碳酸酯在高温下不稳定，其热分解产物如LiF以及CO2等会使得电池内部阻抗急剧上升，并导致电池鼓包甚至爆炸，有十分严重的安全隐患，因此，针对高温电解液的改性策略(图11)主要有以下三种：1）设计热稳定性更好的锂盐来代替LiPF6；2）寻找合适的锂盐稳定剂抑制LiPF6在较高温度下的分解；3）使用合适的添加剂，如成膜添加剂或者除酸除水添加剂。
图 11、锂离子电池高温电解液的设计思路
最后，文章也对各种设计方法进行了成本，电化学性能，安全性以及工业化的潜力进行了评估（图15），并结合前文的设计思路对宽温电解液的设计提出了四个可行的研究方向：1）有机锂盐如LiFSI等的使用，但需要考虑在工程化应用中是否能够解决其腐蚀集流体铝箔的问题；2）PC有着与EC相似的电化学性能以及出众的低温特性，如何开发出与石墨兼容的PC基电解液是未来重要的研究方向；3）氟代溶剂的开发；4）磷酸酯有着与碳酸酯类似的物理化学性质，且安全性能出众，开发出以磷酸酯为主体的低浓度、宽工作温程、高安全性的电解液体系也是未来的重要课题。
图15、不同电解液改性策略在a)低温，b)高温应用方面的安全性、电导率、成本、电化学稳定性以及工业化潜力的雷达图评估
文章链接
Toward Wide-Temperature Electrolyte for Lithium-Ion Batteries
通讯作者简介
曹余良 武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师。主要研究方向是电化学能量储存与转化，内容涉及锂离子电池和钠离子电池体系。曾主持了多项国家项目，包括国家重点研发计划“新能源汽车”领域课题（1项）、973子课题项目(1项)、国家自然科学基金面上项目（4项）和区域重点项目（1项）等。近年来在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、Chem、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Chem、Adv. Energy. Mater.、Nano. Lett.等国际学术期刊上发表SCI论文260余篇，他引超21000余次，h指数为80，ESI高被引论文23篇，5篇论文曾被选为ESI 1‰热点论文，连续四年入选科睿唯安（Clarivate Analytics）年度“高被引科学家”。
陈重学 武汉大学动力与机械学院副教授，博士生导师。武汉大学“珞珈青年学者”。研究方向为能源材料化学，包括锂/钠离子电池、水溶液电池以及废旧电池的绿色回收。目前已主持承担国家级科研课题2项，省部级及横向课题共10项。在Angewandte Chemie International Edition,Advanced Energy Materials，Chem，Electrochemical Energy Reviews，Nano Energy，Energy Storage Materials等SCI期刊上发表论文80余篇，申请国家发明专利10余项。先后获得湖北省自然科学奖二等奖，国家电网公司科学技术进步奖二等奖，湖北省汽车产业走廊“根技术”创新大赛一等奖。