锂金属电池作为最具潜力的下一代储能技术，其理论能量密度远超现有锂离子电池，但除了锂金属负极界面问题外，还长期困于一个棘手的难题：难以在极端温度环境下稳定工作。

近日，香港理工大学张彪副教授及其团队在《nature communications》上发表的一项创新研究，他们通过一种巧妙的不对称醚溶剂设计，成功让锂金属电池在-40°C至60°C的100°C超宽温度范围内稳定运行。

1. 锂金属电池的温度挑战

锂金属电池在低温下面临着离子电导率下降、极化加剧、锂枝晶生长加速的困境。而在高温环境下，剧烈的电极-电解质副反应会导致活性材料快速消耗，甚至引发安全隐患。

研究团队将目光投向了硫化聚丙烯腈（SPAN）正极材料。与传统硫正极相比，SPAN具有更高的导电性和结构稳定性，在碳酸酯电解液中可实现"固-固"转化机制，避免多硫化锂的穿梭效应。但问题在于，碳酸酯电解液与锂金属负极兼容性差，而兼容性更好的醚类电解液又会导致SPAN骨架中断裂产生多硫化锂，造成容量快速衰减。

2. 不对称醚溶剂的设计

研究团队的创新在于分子结构的设计。他们选择了一种名为乙基丁基醚（EBE）的不对称醚溶剂，与传统的对称醚溶剂，如DME和DBE相比，EBE在保持弱溶剂化能力的同时，通过不对称结构实现了物理性质的优化平衡。

静电势分析显示，EBE的最小静电势为-33.51，与对称的DBE（-33.69）相当，远低于DME的-45.11，表明其具有较弱的溶剂化能力。理论计算进一步证实，EBE与Li⁺的结合能为-2.13 eV明显弱于DME的-3.02 eV，这有利于阴离子进入Li⁺的溶剂化鞘层。

更为重要的是，EBE的不对称结构赋予了电解液优异的综合性能。分子动力学模拟表明，EBE电解液（EBE-E）形成了以接触离子对和聚集体为主的阴离子富集溶剂化结构，其中聚集体比例高达87.60%。这种结构在不同温度下，如-20°C至60°C，表现出卓越的稳定性，为宽温域应用奠定了基础。

3. 双层结构的保护机制

这项研究最引人注目的发现在于电解液如何重塑电极-电解质界面。与传统电解液形成的无序马赛克结构不同，EBE-E在正负极表面构建了具有明确功能分层的双层界面结构。

在锂金属负极侧，EBE-E形成了一种独特的双层固态电解质界面。这种SEI的内层以Li₂O为主，而不是传统认为最理想的LiF。实验数据表明，Li₂O具有更高的离子电导率，能更好地调控锂沉积行为，抑制枝晶生长。同时，Li₂O的低电子电导率可有效阻止电子隧穿，抑制电解液的持续分解。

在SPAN正极侧，EBE-E构建了无机富集的双层阴极电解质界面。高分辨率透射电镜显示，CEI内层为晶态的LiF、Li₂S和Li₃N，外层为无定形有机层。这种结构不仅能促进Li⁺传输，还能有效抑制多硫化锂的生成和溶解，实现"穿梭效应"的自由硫转化。

4. 性能突破

研究团队对基于EBE电解液的Li||SPAN电池进行了全面评估，结果：在-40°C的极寒环境下，电池在0.1C倍率下循环200次后，仍能保持69%的容量保持率。而在60°C的高温条件下，电池在1C倍率下经历1000次循环后，容量保持率高达72.8%。

室温性能同样出色：在25°C、1C条件下循环450次后，容量保持率为73.9%，平均库伦效率达到惊人的99.93%。这些数据充分证明了EBE电解液在宽温度范围内的适应性。

5. 机制探秘

为深入理解EBE电解液的工作机制，研究团队开展了全面的表征分析。原位紫外-可见光谱显示，在EBE电解液中，多硫化锂的特征峰强度显著低于传统DME电解液，证实了其有效抑制"穿梭效应"的能力。

理论计算表明，EBE与Li₂S₆的结合能的-1.12 eV明显低于DME的-1.62 eV，表明EBE与多硫化锂的相互作用较弱，这有助于减少多硫化锂的溶解。同时，核磁共振和广角X射线散射分析均证实了EBE电解液中阴离子富集的溶剂化结构。

电化学阻抗谱揭示，尽管EBE电解液的离子电导率适中，但其界面阻抗较低，且在低温下保持稳定，这是实现优异低温性能的关键。

文献信息：

DOI: 10.1038/s41467-025-65938-y

文章来源：智锂魔方

特别声明：本站所载图文内容均来源互联网，微信公众号等公开渠道，我们对文中观点保持中立，出于更直观传递信息之目的转载稿件，仅供参考。版权归原作者和机构所有，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如有侵权，或涉及任何第三方合法权利，请及时联系我们删除（微信：CintaZz7），我们会及时反馈并处理完毕。