在极寒环境中，锂离子电池的性能急剧衰退，主要原因包括电解液黏度升高导致的锂离子传输迟滞，以及去溶剂化能垒显著增加引发的界面反应失效。尤其是在零下三十摄氏度以下，传统石墨负极极易发生不可逆析锂，不仅降低容量，更埋下安全隐患。尽管以钛铌氧为代表的铌基氧化物因其安全的工作电位和快速嵌锂特性被视为极具潜力的负极材料，其在超低温条件下的电化学表现仍远未达到实用要求。
针对这一瓶颈，哈尔滨工业大学的研究团队提出了一种全新的“介电调控溶剂化工程”策略。在本文献当中提出了一种解决思路，通过调控溶剂的介电常数，可以精确重塑锂离子的第一溶剂化壳层结构。与常规强溶剂化溶剂（如DME）不同，中等介电常数的DEE溶剂能够有效弱化锂离子与溶剂之间的结合强度，同时促进阴离子进入内溶剂化壳层，形成接触离子对和聚集体结构。这一设计不仅显著降低了去溶剂化能垒，还引导形成阴离子衍生的、富含无机物的超薄固态电解质界面膜。
本文献结合分子动力学模拟、核磁共振、拉曼光谱、同步辐射X射线断层扫描及有限元模拟等多种手段，系统揭示了介电常数、溶剂化结构与低温界面动力学之间的内在关联。结果表明，DEE电解液中锂离子的配位数明显低于DME体系，且TFSI⁻阴离子在溶剂化壳层中占据更重要的位置。由此形成的SEI膜厚度仅为1.4 nm，富含LiF，杨氏模量高达1.36 Gpa，能够有效抑制界面副反应并加速电荷转移。
电化学测试结果令人瞩目。在室温下，采用DEE电解液的锂||钛铌氧半电池在50 C超高倍率下仍可输出208.9mAh/g的容量，倍率保持率达74.6%。在零下三十摄氏度的严苛条件下，该电池在3 C倍率下循环4500圈后容量保持率仍高达91.9%。即便电极负载量提升至12 mg/cm2，依然能够稳定循环。更令人振奋的是，组装的2 Ah级钛铌氧||三元材料软包电池在零下三十摄氏度下循环3500圈后容量保持率为88.0%，并在零下六十摄氏度的极端环境中仍可正常放电，为手机从16%充至32%。在穿钉安全测试中，该软包电池未出现任何烟雾、火焰或鼓胀，电压与温度保持稳定，而传统石墨基线电池则剧烈爆炸燃烧。该研究的核心贡献在于将“介电常数”确立为溶剂化结构设计的关键物理参数，提出了“介电调控溶剂化”的新范式。通过选择具有中等介电常数和适度空间位阻的DEE溶剂，研究团队实现了弱溶剂化、阴离子参与、无机富集SEI的协同效果，从而在极低温度下同时获得了快速去溶剂化动力学、优异的锂离子传输能力以及本征安全特性。这一工作为寒区电网储能、无人机、飞艇等极端环境应用提供了兼具快充、低温和高安全性的新型电池体系，也为未来电解质的分子设计指明了清晰的物理化学方向。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.4381373#
汇报人：吴月美
