Angew. Chem. ：宽温域阻燃电解液助力高压快充锂离子电池

高电压锂离子电池作为提升现有电池体系能量密度最直接的储能技术而备受关注，但其在高温环境中的性能劣化以及低温和快充等特殊工况下的“析锂”导致的短路等安全问题阻碍了它的实际应用。电解液作为电池的关键组分对电池性能的发挥具有至关重要的作用。然而，现有的碳酸酯类电解液（如EC/EMC）不仅易燃，而且在高电压下易在正极表面氧化分解，很难满足人们的需求。因此，设计出不可燃且兼具优越的环境适应性和稳定性的电解液是目前亟需解决的问题。

近日，中科院长春应化所明军研究员和王立民研究员联合韩国汉阳大学Yang-Kook Sun教授以及沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授，开发了一种由二氟乙酸甲酯（MDFA）、环磷腈（PFPN）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）组成的新型阻燃电解液，用于具有宽温度适应性和快充特性的高电压锂离子电池。并发现了分子间相互作用对于调控电解液的溶剂化结构的重要作用。同时，在分子尺度上分析了不同电解液基团在界面处的动态演化过程，并分别在正、负极构建了界面模型，进而详细阐明了电解液界面行为与电极性能之间的基本关系。

阻燃添加剂PFPN的引入，可使电解液完全不燃烧；而FEC的加入进一步提高了MDFA基电解液与4.3 V 石墨/NCM811电池的兼容性，不仅提高了其宽温适应性和快充能力，而且还改善了相应的高容量软包电池的长循环稳定性和安全性。

PFPN除了作为阻燃剂外，在电解液中尽管并不与Li⁺配位，但其会通过与MDFA溶剂形成分子间相互作用而影响MDFA与Li⁺的配位过程。此外，FEC会进一步优化MDFA与PFPN分子间的相互作用，进而调节了Li⁺-溶剂、溶剂-PF6^–和Li⁺-PF6^–之间的作用，最终改善了电解液的热力学稳定性和动力学过程。

利用原位红外观察了充电过程中在正极界面处不同电解液中的不同溶剂化基团的动态演化过程，发现了Li⁺-溶剂-PF6^–基团（即CIPs）在界面处的行为对电解液氧化过程的影响机制。其中，MDFA/PFPN/FEC电解液的最佳溶剂化结构（合适的CIPs结构）能够调节正极界面处的Li⁺、溶剂以及自由PF6^–的分布状态，进而提升了电解液的稳定性。

基于对电解液体相溶剂化结构的分析及其在界面处的动态行为的研究，进而在分子尺度上构建了不同电解液体系的分子界面模型，深入解析了电解液溶剂化结构与电极性能之间的相互作用关系。

论文信息

Non-Flammable Electrolyte Enables High-Voltage and Wide-Temperature Lithium-Ion Batteries with Fast Charging

Yeguo Zou, Zheng Ma, Gang Liu, Qian Li, Dongming Yin, Xuejian Shi, Zhen Cao, Zhengnan Tian, Hun Kim, Yingjun Guo, Chunsheng Sun, Luigi Cavallo, Limin Wang,* Husam N. Alshareef,* Yang-Kook Sun,* Jun Ming*

文章的第一作者是中科院长春应化所的博士生邹业国

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202216189