学术报告

本文是一篇关于锂离子电池（Lithium-Ion Batteries, LIBs）研究的原创研究论文，文章第一作者为Jianhui Wang，通讯作者为Atsuo Yamada，其他主要作者包括Qifeng Zheng、Mingming Fang、Seongjae Ko和Yuki Yamada。该研究发表于《Advanced Science》期刊，发表时间为2021年7月23日。这项研究主要涉及浓缩电解液（Concentrated Electrolytes）在宽温度范围内应用于锂离子电池的可能性，提出了一种能够显著提高电池高温与低温性能的电解质方案。

研究背景与目的

锂离子电池自1991年商业化以来，已在消费电子、汽车、电网等领域占据主导地位。然而现有商用锂离子电池的工作温度范围通常限制在-20°C到55°C之间，但更低或更高的温度下，其性能会显著下降，甚至存在安全隐患。例如，在高温（>55°C）下，普通电解液容易挥发、燃烧，分解的热不稳定性可能引发热失控；在低温（°C）下，锂沉积会导致容量损失和内部短路。

为了解决这些问题，目前主要依靠电池热管理系统（BTMS, Battery Thermal Management System）来调节电池温度，但这类系统会显著增加电池的重量和成本，同时降低整体能量密度。此外，BTMS在极端高温或低温下往往无法保证精确温控，依然面临安全和性能挑战。以上问题促使科学家探索提高电池耐温能力的新方案。

针对现有问题，本研究提出采用浓缩电解液（浓度约4.0 mol L^{-1}的LiN(SO2F)2/碳酸二甲酯电解液），以拓宽LIB的可工作温度范围至-20°C到100°C，同时显著增强电池的热稳定性、循环寿命和能量密度，减少BTMS的需求。

研究流程与方法

该研究包括以下主要过程：

电解液制备与热稳定性分析

研究者分别制备了浓缩（4.0 M）和稀释（1.0 M）的LiN(SO2F)2/碳酸二甲酯（DMC）电解液，并以1.0 M LiPF6/EC:DMC商用电解液作为对照。通过差示扫描量热法（DSC）研究电解液的热行为，热失重分析（TGA）比较不同电解液的热稳定性。此外，研究者测量了电解液在不同温度下的离子电导率，并使用拉曼光谱分析电解液的溶解结构及其在极端温度下的稳定性。

石墨负极电化学性能测试

石墨作为LIB最常用的负极材料，其性能受到电解液间相的显著影响。在石墨-Li半电池和NCM622-Li半电池中，研究了不同电解液条件下的充放电性能、倍率性能（C-rate）及循环寿命。重点观察石墨负极在-20°C和100°C下的行为，以及电解液对固态电解质界面（SEI, Solid Electrolyte Interphase）稳定性的影响。

全电池性能测试

进一步构建NCM622|石墨全电池，测试此系统在浓缩电解液中的高低温性能，探讨其实际应用潜力。

表面形貌与化学成分分析

通过SEM和XPS研究石墨和NCM622电极的表面形貌及化学成分变化，从微观角度揭示电解液对电极界面的影响。实验采用了一种非暴露空气的拆解技术，为分析数据的高度精准性提供保障。

研究结果与解释

电解液的热稳定性

1. 浓缩4.0 M LiN(SO2F)2/DMC电解液具有优异的热稳定性，与稀释电解液和商用电解液相比在-80°C至100°C内无明显结晶、蒸发或分解的迹象。TGA数据显示，浓缩电解液在100°C时的质量损失仅约8%，而稀释电解液和商用电解液分别高达70%和30%。

2. Raman光谱显示，尽管温度高达100°C，浓缩电解液的溶剂化结构依旧保持稳定，证实其三维网络结构能适应极端温度。

石墨负极的高低温性能

1. 在-20°C下，浓缩电解液中的石墨负极展现出最佳倍率性能，解析其SEI阻抗较稀释电解液和商用电解液显著降低，提升了Li+脱溶剂化速率。这表明浓缩电解液因其溶剂化结构导致Li+活性较高。

2. 在100°C下，稀释电解液与商用电解液快速降解导致严重电化学性能劣化。而浓缩电解液能够显著减缓容量衰减，石墨电极在10C倍率下仍保持每克360mAh容量。此外，石墨负极在循环500次后容量保持率达76%。

全电池的高温稳定性与低温性能

1. 在NCM622|石墨全电池的实验中，使用浓缩电解液的系统在100°C下循环100次后，容量保持率为66%，显示其在高温环境中的潜在应用价值。

2. 在-20°C的低温实验中，全电池依然表现出卓越的充放电性能和循环稳定性，进一步证明该浓缩电解液对环境温度的适应性广泛。

电极表面分析

SEM数据显示，与稀释及商用电解液相比，使用浓缩电解液的石墨和NCM622电极表面在高温循环后几乎没有形貌改变，揭示电解液与电极界面的良好兼容性。XPS研究表明，浓缩电解液中形成的SEI主要由高度热稳定的硫化物和LiF成分构成，使其在高温下更稳定，促进可靠的界面稳定性。

研究结论与意义

该研究成功开发了一种浓缩电解液，显著扩展了锂离子电池的工作温度范围（从-20°C至55°C拓展为-20°C至100°C）。其主要科学意义包括： 1. 第一次展示了浓缩电解液在极端温度下优异的热稳定性和挑战性的电化学性能，为高热稳定性锂电池的设计提供了新的策略。 2. 显著提高电池热安全性，减少了对外部BTMS系统的依赖，从而提升了能量密度并降低了系统成本。 3. 提供了一条解决高温锂电池SEI界面稳定性劣化问题的潜在路径。

该研究的现实意义在于其对未来电动车、大规模储能系统及高温工业应用中的LIB设计和优化具有重大影响。同时，本研究为浓缩电解液的进一步开发（如新添加剂的引入）奠定了基础。

研究亮点

1. 拓展的温度范围是锂离子电池研究领域的重大进展，特别是在高温性能研究中显现出独特的优势。
2. 浓缩溶液的高度稳定溶剂化结构和极其稳定的电解液-电极界面，显现了超越传统产品的创新性。
3. 此研究强调了SEI的热稳定性在宽温度锂电池中起到的决定性作用。