加速锂+低温锂离子电池与锂金属电池的去溶剂化电解质策略
2026-05-27 21:11:50 点击： 次
锂基电池在低温环境下的性能衰减严重阻碍了其在高纬度、高海拔地区及外层空间的应用。这一现象源于锂离子+低温下不利的限速脱溶剂化过程导致锂离子传输受阻。近年来，学界已提出若干降低脱溶剂化能垒的策略以改善电池低温性能。然而，目前仍缺乏对这些策略及其作用机制的深入系统认识。本文针对低温锂离子电池与锂金属电池体系，围绕加速Li⁺脱溶剂化过程的挑战和电解质调控策略展开批判性述评。首先，阐明了低温下电池的退化机制，揭示了Li⁺脱溶剂化过程是主导的速率限制步骤。随后，总结了五种加速脱溶剂化过程的策略，包括弱溶剂化电解质、局部高浓度电解质、强阴离子溶剂化电解质、亚相互作用溶剂化电解质以及内亥姆霍兹层工程。值得注意的是，强阴离子溶剂化电解质、亚相互作用溶剂化电解质和内亥姆霍兹层工程是首次被系统性地总结。接下来，关于促进Li+低温条件下的去溶剂化现象尤为显著。最后，本文提出若干展望，特别涵盖人工智能技术的应用。我们希望这篇及时的综述能为极端低温环境下锂基电池电解液的理性设计提供有益指导。
图文摘要
在本综述中，我们总结了低温环境下加速锂离子脱溶剂化所面临的挑战及相应策略。+我们相信，本综述的发表恰逢其时，将助力研究人员获取实现低温锂电池目标所需的关键信息。
引言
在碳中和倡议的背景下，锂离子电池（LIBs）在电动汽车（EVs）和可再生能源系统并网中发挥着不可替代的作用[1], [2], [3], [4]。基于锂离子电池的成功应用，具有高能量密度的锂金属电池（LMBs）作为极具前景的候选技术已引发广泛关注[5], [6], [7], [8]。然而，低温工况下的锂电池（包括LIBs与LMBs）面临着严峻挑战：容量快速衰减、功率输出严重受限甚至功能失效[9], [10]，这些问题显著阻碍了其在寒带地区、航空航天系统及军事装备中的实际应用[11], [12], [13]。
为应对上述挑战，当前策略主要包括外部加热技术[14][15]、电极材料改性[16][17][18][19][20]以及电解质工程[21][22][23]。其中，外部加热可通过提升工作温度缓解低温性能衰减，但该方法会增加系统复杂度并降低能量密度。电极材料改性（如表面涂层与结构设计）因工艺复杂、成本高昂及长期稳定性不足，仍面临重大挑战。相比之下，电解质优化通过调整电解质配方来降低最低工作温度，无需依赖外部能量输入或复杂的系统改造[24][25]。该策略能在保持与现有电池制造基础设施高度兼容性的同时，有效提升低温性能。值得注意的是，其低能耗、高适应性和成本效益使之成为实现卓越低温性能的理想方案[26][27]。
电解质凝固及离子电导率急剧下降最初被认为是电池低温性能衰退的主要原因[11][28]。为拓宽电解质的低温液态区间，多种低凝固点线性碳酸酯与羧酸酯被引入基于碳酸乙烯酯(EC)的电解质体系，由此在低温放电能力方面取得显著突破[29]。然而，严重的电压极化会导致循环过程中容量大幅衰减，从而限制电池在低温下的整体电化学性能。随着对低温运行期间Li⁺传输过程的深入理解，Li⁺脱溶剂化过程已被确定为关键速率限制步骤[9][30][31]。为此，研究者提出了多种策略来加速脱溶剂化动力学。首先，采用本征Li⁺结合强度较弱的溶剂可有效降低脱溶剂化能垒[32]。其次，由于库仑相互作用，电极对阴离子施加静电排斥力，促进形成富阴离子溶剂化结构，从而加速Li⁺脱溶剂化过程[33,34]。这一认识推动了采用低熔点、低粘度稀释剂的局部高浓度电解质体系，以及具有强配位阴离子的阴离子主导溶剂化电解质的发展。此外，偶极-偶极相互作用和离子-偶极相互作用在调控溶剂化结构及优化脱溶剂动力学方面具有重要作用[35]。此外，通过调控Li⁺脱溶剂化区域（即内亥姆霍兹层）的化学环境，可有效加速脱溶剂化进程并提升低温循环性能[36,37]。
在锂基电池低温稳定运行迫切需求及电解质设计快速发展的双重驱动下，开展全面而及时的综述研究具有重大意义。本文针对低温环境下去溶剂化过程加速所面临的挑战与新兴策略进行批判性评述。首先，通过阐明低温下电池性能衰退的内在机制，明确了锂离子+低温下的去溶剂化现象。首先，阐明了电池在低温环境下性能衰退的内在机制，以明确锂离子去溶剂化过程的主导作用。+脱溶剂化。随后，本文系统性地总结并讨论了包括弱溶剂化电解质、局部高浓度电解质、强阴离子溶剂化电解质、亚相互作用溶剂化电解质以及内亥姆霍兹层工程在内的突破性策略，以及相应加速脱溶剂化过程的机理。在此基础上，针对加速锂...+研究强调了通过溶剂化结构调控实现优异低温性能的关键作用。最后，我们针对未来研究方向提出若干建议。本综述将为低温电解质的设计及锂基电池在低温环境中的广泛应用提供有价值的指导。