Angew. Chem. ：部分接触离子对溶剂化结构设计策略实现锂硫电池极端条件应用

锂电池已成为电动汽车和便携式电子产品不可或缺的技术。然而，它们的工作范围通常仅限于中等温度范围（0℃<t<40℃）。如何在极端工作条件下实现更高能量密度的可充电电池依然面临巨大挑战。要提高极端温度下的性能，通常需要对电解质进行工程设计。实现良好的温度弹性和高能量密度锂电池要求电解液同时具备多种属性，包括高Li+迁移能力、低去溶剂化阻力以及优先还原锂盐来形成富含无机成分的电极-电解液界面钝化层（SEI）。然而，由于溶剂分离离子对（SSIP）和接触离子对（CIP）两种截然不同的溶剂化结构，传统的单一电解质难以同时体现出SSIP的Li⁺高迁移率以及CIP的低去溶剂化能量的独特优秀性能。

近日，美国加州大学圣地亚哥分校的陈政教授与刘平教授, Dr. Tod Pascal课题组通力合作，开发了一种由部分氟化的羧酸酯和碳酸酯组成的氟化酯基电解质。该电解质具有耐高低温的物理化学特性和适度的溶剂化能力，从而在单一电解质中形成具有一半SSIP和一半CIP溶剂化结构的部分离子配对的溶剂化结构。这一特殊溶剂化结构即保证了高的离子电导率（即使在-40℃ 下也 > 1 mS cm^-1），又可以保证阴离子和氟化共溶剂的优先还原来构筑LiF为主的高界面能SEI。研究发现，这些有利的特性大大提升了锂金属和硫基电极在极端操作条件下的表现，从而实现了具有高正极负载（> 3.5 mAh cm^-2）的锂硫全电池在-40到50℃宽温度区间稳定循环。

实验和计算模拟均表明，与非氟化溶剂体系相比，部分氟化的羧酸酯和碳酸酯溶剂体系中的Li+与阴离子和氟化共溶剂具有更强的结合力。并且通过调节主溶剂链长以及氟化程度，部分阳离子/阴离子配对的电解液保留了SSIP和CIP结构的共同优点。上述全氟化电解质即使在较宽的温度范围内也能轻松实现低去溶剂化能垒和形成LiF为主的电极-电解液界面层，而不会牺牲离子电导率。这项工作为实现在宽温度范围内具有可调节的盐解离和溶剂去溶剂化能力建立了新的设计原则。它还为设计耐高温和低温电解质以支持在极端条件下运行的高能量密度可充电电池提供了一条有前途的途径。

论文信息

Partially Ion-Paired Solvation Structure Design for Lithium-Sulfur Batteries under Extreme Operating Conditions

Dr. Guorui Cai, Hongpeng Gao, Mingqian Li, Varun Gupta, John Holoubek, Prof. Tod A. Pascal, Prof. Ping Liu, Prof. Zheng Chen

该论文的第一作者为蔡国瑞博士，高鸿澎和李明谦博士。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202316786