氟化溶剂耦合阴离子衍生的杂化界面相实现硅负极的高度可逆及低温性能

针对硅负极在低温下离子传输缓慢、SEI稳定性差的问题，西安交通大学团队设计了一种基于LiFSI/FEC-MTFA的弱溶剂化电解质。该电解质通过促进阴离子参与的氟化溶剂衍生杂化SEI形成，显著提升了硅负极在-30°C下的可逆容量（2100 mAh g?1 ），为宽温域高能电池开发提供新策略。

　　

随着电动汽车和电网储能的快速发展，锂离子电池(LIBs)在极端环境下的性能瓶颈日益凸显。硅(Si)因其超高理论容量(3600 mAh g^?1
)成为最具潜力的负极材料，但其在低温下的表现却令人担忧——离子传输迟滞、SEI反复破裂导致容量骤减。更棘手的是，现有研究多聚焦于室温性能优化，对零下环境中Si负极的界面化学行为知之甚少。当温度降至-30°C时，传统碳酸酯电解质的粘度激增，Li⁺
脱溶剂化能垒升高，而Si负极300%的体积膨胀更会撕裂SEI层，造成电池"冻僵"。这一系列问题严重制约了全气候电池的应用前景。

西安交通大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表的研究中，通过精巧设计1 M LiFSI-FEC/MTFA(2:8体积比)弱溶剂化电解质，构建了具有梯度结构的阴离子耦合氟化SEI，使Si负极在-30°C仍保持2100 mAh g^?1
的可逆容量。该工作首次揭示了氟化酯溶剂与FSI^?
阴离子的协同作用机制：MTFA的氟化基团削弱Li⁺
溶剂化能，而[Li⁺
]-3[FSI^?
]-FEC-MTFA的特殊溶剂化结构促进形成富含LiF/S物种的SEI内层，大幅提升界面离子电导率。

研究采用分子动力学(MD)模拟结合多尺度表征技术。通过电化学阻抗谱(EIS)量化界面阻抗变化，X射线光电子能谱(XPS)和飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)解析SEI组分空间分布，冷冻透射电镜(Cryo-TEM)直接观测界面形貌，辅以第一性原理计算阐明Li⁺
传输机制。

材料特性与电解质设计
MD模拟显示1 M LiFSI-FM电解质中FSI^?
阴离子参与形成低结合能溶剂化鞘，使离子电导率在-30°C仍达1.2 mS cm^?1
。差示扫描量热(DSC)证实其凝固点低至-112°C，远优于传统LiPF₆
-ED电解质(-25°C)。

界面化学与性能表征
XPS深度剖析发现杂化SEI呈梯度结构：外层含聚氟碳酸酯有机缓冲层，内层为LiF/Li_x
SO_y
无机连续相。ToF-SIMS三维重构显示F^?
和SO₂
F^?
碎片信号在界面50 nm处强度达峰值，证实阴离子分解产物的优先分布。这种结构使电荷转移阻抗在-20°C降低87%。

低温电化学行为
在1C倍率下，Si负极在0°C、-20°C和-30°C分别输出3100、2600和2100 mAh g^?1
的容量，CE始终高于98%。即使经过50次-30°C循环，电极仍保持完整层状结构，体积膨胀率控制在120%以内。

该研究开创性地通过溶剂-阴离子耦合策略调控SEI组分空间排布，解决了硅负极低温性能差的核心难题。所提出的"有机缓冲/无机导锂"梯度SEI模型，不仅适用于极端环境电池开发，也为其他高体积膨胀电极的界面设计提供范式。值得注意的是，MTFA溶剂与FSI^?
的协同效应表明：氟化基团数量与阴离子种类的精准匹配，可能是未来电解质分子工程的关键靶点。这项工作将Si基电池的应用边界拓展至寒带地区、高空设备等特殊场景，标志着高能电池全气候化迈出重要一步。