【研究背景】

目前，常规锂离子电池在极低温度（如−60 °C）下因动力学缓慢和容量快速衰减而无法正常工作。虽然有机电极材料因其资源丰富和潜在的低温动力学优势而被寄予厚望，但在实际应用中，它们面临着在极性溶剂中严重的电极溶解问题以及缓慢的锂离子脱溶剂化动力学。现有的电解液策略（如高浓度电解液、局部高浓度电解液等）虽有改善，但往往带来高粘度或盐析出等新问题。更重要的是，这些策略忽视了一个关键的衰减机制，即电极-电解液界面处的“溶剂浓差极化”（Solvent Concentration Polarization），这种现象会导致界面处溶剂聚集，增加脱溶剂化能垒并加剧电极溶解。

【研究工作】

近日，中国石油大学（北京）崔永朋特任教授、王瑶副教授与中国石油大学（华东）邢伟教授研究团队合作，首次揭示了“溶剂浓差极化”是导致有机电极性能恶化的决定性因素。团队提出了一种高度去极化溶剂（High Depolarized Solvent, HDSE）的设计策略，通过引入强吸电子的氟原子来降低溶剂分子的静电势，从而削弱Li⁺-溶剂相互作用。该策略成功消除了界面处的溶剂聚集，将界面溶剂化结构从“溶剂主导”转变为“阴离子富集”，大幅降低了脱溶剂化能垒并抑制了电极溶解。基于此设计的电解液体系，实现了有机电极DSR在−60 ^oC极端低温下的优异性能，184.3 mAh g^-1的高容量，且在2C倍率下循环2000圈后容量几乎无衰减。该文章发表在国际顶级能源期刊Energy & Environmental Science上。中国石油大学（北京）崔永朋、王瑶与中国石油大学（华东）邢伟为本文共同通讯作者，邱智健为本文第一作者。

【内容表述】

在传统低去极化溶剂（LDSE）体系中，由于溶剂分子极性较强，电场驱动导致其在电极表面大量聚集，形成了严重的“溶剂浓差极化”。这种富溶剂环境不仅阻碍了锂离子的靠近和脱嵌，还像“强力溶剂”一样加速了有机电极材料的溶解。而该工作设计的HDSE策略，通过氟原子的去极化作用，显著削弱了Li⁺-溶剂结合力，使得阴离子（FSI^-）能够竞争进入双电层，从根本上打破了溶剂在界面的主导地位。

图1. 溶剂浓差极化机制与高度去极化溶剂（HDSE）设计理念对比示意图

研究对比发现，随着溶剂分子中氟原子取代量的增加（从LDSE到HDSE），溶剂的静电势和极性显著降低。拉曼结果表明，这种去极化设计削弱了溶剂与锂离子的结合，成功消除了传统电解液在电场作用下于界面处形成的溶剂聚集，将双电层环境从“溶剂主导”重构为“阴离子富集”。

图2. 分子动力学模拟与纵向原位拉曼光谱揭示界面溶剂行为

利用分子动力学模拟和纵向原位拉曼光谱技术，为溶剂化结构的转变提供了直接证据。LDSE体系在充放电过程中界面处溶剂信号剧烈增强，溶剂化结构主要由SSIP构成；而HDSE体系的界面溶剂浓度则全程比较稳定，溶剂化结构主要由CIP和AGG主导。

图3. 常温电化学性能测试

HDSE体系在倍率和循环测试中，表现都出远优于LDSE体系。自放电测试也证明HDSE有效抑制了有机电极的溶解。最后，通过组装HDSE体系的软包电池，并成功为手机充电，验证了其实际应用潜力。

图4. 界面膜化学成分与三维分布表征

通过TOF-SIMS三维重构和KPFM分析，LDSE体系衍生的界面膜厚重疏松，而HDSE体系诱导生成了一层超薄、致密且富含无机LiF的保护膜。这层“无机盔甲”不仅提供了优异的离子导电性，也起到了抑制有机电极溶解的作用。

图5. −60 °C 极端低温下的全电池电化学性能展示

基于HDSE的电池在−60 °C极寒环境中仍然保持优异的电化学性能，即便在2 C的高倍率下也能稳定循环2000圈，容量几乎无衰减。相比之下，传统电解液体系在此温度下迅速失效。这强有力地证明了消除溶剂浓差极化是实现超快、高稳定低温电池的关键技术突破。

【核心结论】

这项研究通过阐明双电层（EDL）与体相电解液之间存在的“溶剂浓差极化”这一关键机制，从根本上重新定义了有机电极锂电池在低温下的性能瓶颈。研究团队通过高度去极化溶剂体系的策略性分子工程，成功解耦了传统电解液中强烈的锂离子-溶剂配位作用，消除了EDL内的溶剂聚集现象，从而将界面结构从“富溶剂型”彻底重构为“阴离子主导型”。这一界面化学的革新同时攻克了该领域长期存在的三大难题：有效抑制了有机电极的溶解流失、最小化了锂离子的脱溶剂化能垒、并促进了致密且富含无机组分的电极-电解液界面膜（EEI）的形成。该工作建立了一套可转移至其他有机电极体系的通用准则，证明了在极端寒冷环境中，“界面工程”比传统的“体相性质优化”更为关键。这种对溶剂浓差极化的深刻理解为理性的电解液设计开辟了全新路径，有望彻底革新低温条件下的电池技术。

【文献详情】

题目：Combating Solvent Concentration Polarization for Ultrafast and Highly Stable Lithium Batteries at −60 °C

期刊：Energy & Environmental Science

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/ee/d5ee06738c/unauth

文章来源：能源学人

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