多齿醚重构磷酸酯电解液溶剂化结构实现宽温域锂离子电池的高安全性与高性能

为解决传统碳酸酯电解液易燃且低温性能差的问题，华中科技大学团队创新性地采用二乙二醇二甲醚（DEGDME）重构磷酸酯基电解液的溶剂化结构。研究通过引入成膜添加剂EC和DTD，使Li||石墨半电池在150次循环后容量保持率达98%，并在-20℃下实现石墨||LiFePO4 全电池71%的循环保留率。该工作为设计兼具宽温域（-40~198℃）和不可燃特性的电解液提供了新策略，推动锂离子电池（LIBs）在极端环境下的安全应用。

　　

研究背景与挑战

锂离子电池（LIBs）作为现代便携电子设备和电动汽车的核心能源载体，其安全性和环境适应性一直是研究焦点。然而，商用碳酸酯电解液存在易燃隐患，且在低温下离子电导率骤降，导致电池性能急剧衰减。尽管磷酸酯类溶剂（如二乙基乙基磷酸酯DEEP）具有宽液相范围（-83~198℃）和不可燃特性，但其与石墨负极兼容性差、离子传输缓慢等问题制约了实际应用。如何通过电解液设计同时解决安全性与宽温域性能的冲突，成为领域内亟待突破的难题。

研究设计与创新

华中科技大学谢佳团队提出“溶剂化结构重构”策略，将多齿配位醚溶剂DEGDME引入DEEP基电解液体系。通过密度泛函理论（DFT）计算证实，DEGDME与Li⁺
的结合能（-3.57 eV）显著强于DEEP（-2.74 eV），可形成更紧凑的溶剂化鞘层。实验采用LiFSI作为锂盐，并添加乙烯碳酸酯（EC）和1,3,2-二氧硫杂环戊烷-2,2-二氧化物（DTD）优化固体电解质界面（SEI），最终获得摩尔比为LiFSI:2DEEP:2EC:2DEGDME:0.5DTD的电解液（D2E2G2T0.5）。

关键技术方法

研究结合理论计算与实验验证：1）通过DFT模拟溶剂-Li⁺
相互作用；2）采用红外光谱（IR）和X射线光电子能谱（XPS）解析溶剂化结构及界面化学；3）通过对称电池测试离子迁移数和活化能；4）在-40~25℃范围评估全电池电化学性能。

研究结果

电解液特性优化
D2E2G2T0.5电解液在-20℃下离子电导率达2.3 mS cm^-1
，Li⁺
迁移数提升至0.52（传统电解液为0.458）。傅里叶变换红外光谱显示，DEGDME的引入使DEEP-Li⁺
簇占比从83%降至73%，重构了溶剂化网络。

电化学性能突破
Li||石墨半电池在1C倍率下实现315 mAh g^-1
的充电比容量，150次循环后容量保持率98%。石墨||LiFePO₄
全电池在-20℃下50次循环容量保持率达71%，显著优于传统碳酸酯电解液（<40 mAh g^-1
）。

安全性能验证
自熄灭实验表明，D2E2G2T0.5电解液燃烧时间为0 s g^-1
（碳酸酯电解液为87 s g^-1
），差示扫描量热（DSC）测试显示其热分解温度高达235.4℃，具备优异的热稳定性。

结论与意义

该研究通过多齿醚溶剂重构磷酸酯电解液的溶剂化结构，首次实现了LIBs在宽温域（-40~198℃）下的高安全性与高性能协同。DEGDME的柔性分子结构和协同配位作用有效降低了Li⁺
脱溶剂化能垒（0.537 eV），而EC/DTD的协同成膜机制保障了石墨负极的稳定性。这项工作为开发下一代极端环境适用电池提供了普适性设计范式，相关成果发表于《Communications Chemistry》。