基于碳酸丙烯酯与聚乙二醇的新型非晶态溶剂体系及LiPF6 电解质的低温性能研究

为解决锂离子电池在极端低温环境下电解液结晶导致的性能骤降问题，研究人员开发了基于碳酸丙烯酯(PC)与聚乙二醇(PEG)的新型非晶态溶剂体系及LiPF6 电解质。研究发现该体系在-100°C以下仅呈现玻璃化转变，-60°C时仍保持0.016 mS·cm-1 的离子电导率，且能有效抑制石墨电极剥离，为极地、航天等极端环境应用提供了创新解决方案。

　　

在极地勘探、航天工程等尖端领域，锂离子电池常因低温环境下电解液结晶而"罢工"——电导率骤降、电极结构受损。传统碳酸酯类电解液在-40°C以下就会"冻结"，而离子液体又面临成本高、粘度大的困境。这一技术瓶颈促使科学家们将目光投向新型溶剂体系。

波兰华沙理工大学的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表突破性研究，创新性地将碳酸丙烯酯(PC)与三种聚乙二醇(PEG)衍生物混合，开发出在-100°C仍保持液态的非晶态电解质。通过系统研究PC与PEG250DME、PEG350ME、PEG500DME的配比关系，发现含70%PC的PEG250DME体系在-60°C仍保持0.016 mS·cm^-1
的电导率，比传统EC/DMC混合体系(EC:碳酸乙烯酯)的适用温度下限降低了20°C以上。更令人惊喜的是，该体系成功解决了PC导致石墨电极剥离的"世纪难题"，为低温电池技术开辟了新路径。

研究采用差示扫描量热法(DSC)测定相变行为，电化学阻抗谱(EIS)分析离子传导性能，线性扫描伏安法(LSV)评估电化学窗口，并通过全电池循环测试验证实际应用潜力。结果显示：含25%以上PC的PEG250DME混合物完全抑制了结晶现象；PEG链长显著影响非晶态区间，短链PEG250DME的非晶区占比达85%，而长链PEG500DME仅30%；1M LiPF₆
电解质的电导率活化能最低降至18.88 kJ/mol，证明离子传输能垒显著降低。

在"3.1 溶剂混合物"部分，DSC数据揭示PC的立体结构打破PEG分子有序排列，使PC:PEG250DME(95:5)的玻璃化温度(T_g
)低至-111.4°C。相比之下，平面结构的EC体系需要添加锂盐才能形成非晶态。"3.2 电解质溶液"章节显示，球形PF₆
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阴离子的空间位阻效应使非晶区进一步扩展，1M LiPF₆
在PC:PEG250DME(70:30)中实现-104°C的T_g
。电化学测试证实其稳定窗口达5V vs Li⁺
/Li，满足高压正极需求。

最具突破性的发现来自"3.2.6 恒电流循环测量"：含80%PC的电解液使石墨|LiFePO₄
全电池完成30次循环，而纯PC电解液首圈即失效。研究者认为PEG链通过螯合Li⁺
改变溶剂化层结构，从而抑制PC分子嵌入石墨层间。这一发现颠覆了"PC必致石墨剥离"的传统认知。

该研究实现了三重突破：首次构建宽温域(-100°C至50°C)非晶态电解液体系；发现PC/PEG协同抑制电极损伤机制；开发出成本仅为离子液体1/10的替代方案。正如通讯作者Marta Kasprzyk指出："这种'分子剪刀'策略——用PC破坏PEG有序性，用PEG调控Li⁺
溶剂化层——为极端环境能源存储提供了全新设计范式。"未来通过优化PEG分子量与锂盐类型，这类电解质有望在火星探测器、极地工作站等领域大放异彩。