王春生/范修林AM综述: 低温锂离子/金属电池的潜在机制与策略

锂离子电池 (LIB) 是各种商业化可充电电池中能量密度最高的，激发了3C设备、电动汽车和固定储能系统的使用热潮。然而，基于碳酸亚乙酯电解液和石墨负极的商业锂离子电池的高性能只能在-20°C以上才能实现，这限制了其在恶劣环境中的应用。

在此，美国马里兰大学王春生教授及浙江大学范修林研究员等人全面回顾了低温锂离子/金属电池的最新研究进展，包括潜在机制和有前景的策略。作者总结了显著限制了LIBs在低温下性能的4个关键挑战：

（1）电解液润湿性和离子电导率的下降；

(2) 缓慢的界面反应动力学，包括SEI中的Li⁺去溶剂化、电荷转移和Li⁺传输；

(3) Li⁺在电极中的缓慢扩散；

(4) 负极表面镀锂可能造成“短路”。为了克服这些棘手的问题，作者提出了有前景的策略：i）合理调整溶剂、锂盐和添加剂以提高低温离子电导率，降低去溶剂化能并形成富含无机物的薄SEI；(ii) 掺杂、表面涂层及电极结构设计等以促进Li⁺扩散；iii) 抑制负极上的锂电镀和枝晶生长；iv)其他策略，例如自加热或电池配置优化。

图1. 锂离子/金属电池的发展及低温限制

最后，作者给出了低温锂离子/金属电池的未来展望：

1）深入了解电池内的界面过程，先进的原位表征方法和理论计算可能有助于获得这些过程的原子级知识，应特别注意去溶剂化过程；

2）探索先进的低温电解液是商业电池化学最有效的方法之一，富含无机物的SEI是低温电解液的首选；

3）构建新的电池化学，其中溶剂化的Li⁺作为一个整体参与反应而不去溶剂化，这是最大化低温性能的一个有前途方向；

4）有效利用电池运行时产生的热量可以帮助电池在较低的外部温度下运行，如何安排配置使成本最小化、效果最大化是工程创新的关键。

图2. “自加热”电池机制及配置优化

Critical review on low-temperature Li-ion/metal batteries, Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202107899

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王春生/范修林AM综述: 低温锂离子/金属电池的潜在机制与策略

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