本文的主要作者为M.C. Smart等人，主要来自两个机构：Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）以及Saft America Inc., Battery Research and Development Facility。本文发表于2003年的《Journal of Power Sources》。
这项研究属于锂离子电池在低温环境中的性能改进领域。锂离子电池因其高比能量（gravimetric energy density）和高体积能量密度（volumetric energy density）被认为是未来探索火星表面的着陆器和漫游车任务中的理想电池技术。然而，目前的主流技术在低温环境下表现不能满足这些任务的需求，尤其是在极低温度（如 -40°C 以下）下的可运行性问题，这限制了锂电池在某些宇航任务中的使用。本研究旨在解决低温的性能限制，通过改进电解液配方，以制造能在更广的温度范围内运行的锂离子电池。
过去的研究显示，电解液在低温性能优化中起到了决定性的作用。主要的挑战包括电解液在低温下的导电性下降、固态电解质界面层（SEI）的高阻抗等。为此，研究团队开展了一项系统性研究，开发基于碳酸酯的三元和四元电解液配方，希望改善锂电池在低温下的性能表现，同时保证电池的长期稳定性和循环寿命。
本研究分为多个阶段，包含实验室实验、小型测试电池实验以及原型电池的性能测试。以下是具体的研究流程和方法：
作者测试了多种基于碳酸酯的电解液配方，包括以下关键组合： - 1.0M LiPF6 EC + DEC + DMC + EMC（1:1:1:2 v/v） - 1.0M LiPF6 EC + DEC + DMC + EMC（1:1:1:3 v/v） - 其他低EC（低乙烯碳酸酯）含量的混合配方。
这些配方通过调整乙烯碳酸酯比例（通常低于25%）、结合线性脂族碳酸酯以降低黏度及熔点，并提高低温导电率。
研究在-60°C至25°C范围内测量多种电解液的电导率，通过导电池配合控温设备进行。实验发现，低乙烯碳酸酯比例的电解液在-40°C及以下表现出更高的电导率。
实验室使用三电极电池，测试不同电解液在-20°C和-40°C等低温下的放电能力和循环性能。 - 在-20°C下，电解液配方1.0M LiPF6 EC + DEC + DMC + EMC（1:1:1:3）的电池表现显著优于其他配方，释放了更多的容量。 - 在-40°C下，该电解液的性能维持了室温容量的50%-65%，表现最佳。
使用Tafel极化曲线、线性极化和电化学阻抗谱（EIS），分析了低温下锂离子的嵌入与脱嵌动力学。结果显示： - 在低温下Anode（石墨电极）的极化效应较高，但优质的低EC电解液表现出良好的界面特性和较低的阻抗。 - 高效的电解液能有效抑制负极锂沉积现象，支持低温下的可充性能。
最后，研究团队将最佳配方1.0M LiPF6 EC + DEC + DMC + EMC（1:1:1:3）应用于Saft America Inc.制造的DD尺寸原型电池（9 Ah），并在较低温度范围内（-50°C至-70°C）进行了实用性测试。 - 在-40°C下，以C/10放电速率，该电池释放了7.59Ah（95.8 Wh/kg），性能保持室温容量的74.6%。 - 在-50°C下，在c/50放电速率，可以释放约7Ah，且循环性能稳定。
电导率的显著提升： 优化的低乙烯碳酸酯电解液显示出更高的低温导电率，尤其在-40°C以下的表现显著优于传统高EC配方。
低温储能性能改善：
循环稳定性： 在-40°C条件持续循环近百次，室温容量可稳定在70%以上，且无锂沉积。
本研究推进了锂离子电池低温电解液的配方优化，为未来的太空探测任务（如火星探测器）提供了更高性能的储能技术保障。这些低EC含量碳酸酯电解液不仅显著扩展了电池运行的温度范围（从-70°C到40°C），还保证了良好的循环寿命及高比能量，特别是实现了严酷环境下动态充放电的稳定性。
这项研究的技术突破对航空航天、极寒地区储能系统、深空探测等领域有重要的应用价值。此外，该研究为改进低温电解液配方提供了新的理论支持和技术方案。
总结来说，这项研究不仅深化了人们对电解液在低温环境下关键作用的理解，还为未来严寒气候或航天探索提供了重要的解决方案。