https://www.nature.com/articles/s41467-026-74277-5
- 研究背景
高寒地区电动汽车、极地装备、航空储能等场景对锂离子电池在-20 ℃甚至更低温度下稳定放电与快充能力有着迫切需求，传统碳酸酯电解液存在脱溶剂化能垒高的固有缺陷，低温环境下可逆容量直接衰减六成以上，难以满足极端工况的使用要求，弱溶剂化电解液凭借低熔点酯类、醚类溶剂弱化锂离子与溶剂分子之间的配位作用，能够大幅降低锂离子脱溶剂活化能，是适配低温电池体系最具潜力的电解液技术路线之一，但该体系长期存在易被忽视的致命短板，弱配位环境下电解液中游离溶剂分子占比大幅提升，溶剂分子极易在正极表面发生氧化分解并持续产生大量气体，生成的CO₂、烷烃类气体会造成电芯鼓包变形、电极层间剥离脱落、活性物质粉化失效，同时大幅提升界面极化程度，加剧低温充电过程中的析锂现象，最终导致电池容量断崖式衰减、循环寿命大幅缩水，长久以来业内研究大多聚焦负极SEI的构筑调控，弱溶剂化电解液在低温环境下正极侧完整产气机理、正负极产气信号精准区分方法以及可适配大容量实用电芯的长效产气抑制方案始终缺乏系统性研究，严重阻碍了弱溶剂化电解液从实验室基础研究走向动力电池量产应用。
弱溶剂化电解液体系低温下产气机制
- 解决方案
上海交通大学梁正团队围绕这一关键瓶颈开展了系统的研究，选取十种不同低熔点溶剂涵盖酯类、醚类与强溶剂PC构建1 M LiFSI基弱溶剂化电解液体系，融合原位微分电化学质谱DEMS、冷冻透射电镜、XPS、Nano-CT、核磁共振、拉曼光谱等多维度表征手段，搭配密度泛函理论、分子动力学模拟等理论计算工具，完整厘清弱溶剂化电解液低温产气核心机制并提出高效双添加剂协同改性策略，团队首先通过溶剂-锂离子结合能、分子静电势分布定量区分强、弱溶剂化体系，划定本研究体系内-1.55 eV的结合能分类阈值，PC等结合能低于该数值的强溶剂配位结构稳定、游离溶剂含量少、抗氧化性能优异，但锂离子脱溶剂动力学迟缓，甲基乙酸酯、乙酸乙酯、碳酸甲乙酯、乙醚等结合能高于阈值的弱溶剂可大幅降低脱溶剂阻力，却伴随大量易氧化游离溶剂，研究人员进一步向电解液中添加5 wt%氟代碳酸乙烯酯，在硅碳负极表面构筑均匀致密、富含氟化锂的稳定固态电解质界面膜，从源头阻断负极溶剂还原副反应产生甲烷、乙烯等气体，实现正负极产气信号完全解耦，得以单独定量分析正极氧化产气行为，借助锂金属/三元正极、锂金属/硅碳负极两套半电池对照原位质谱测试，研究团队精准区分两类电极的产气特征产物，明确二氧化碳是正极游离溶剂氧化反应的标志性气体，在未改性甲基乙酸酯基电解液体系中，电芯循环百圈后二氧化碳占总产气量比重超50%，总产气量可达22 mL，Nano-CT成像清晰观测到气体堆积造成电极堆叠结构扭曲、极片接触失效，三电极测试直接证实极化升高会让充电过程负极电位跌破0 V，诱发严重析锂问题，热力学计算结果表明- 20 ℃低温条件下溶剂氧化反应吉布斯自由能持续为负值，氧化产气反应具备自发进行的热力学趋势，温度仅改变产气速率，无法从根本上抑制该反应发生，基于此，团队引入5 wt% 二氟草酸硼酸锂作为正极成膜添加剂构建双改性电解液体系，该添加剂可优先在高镍正极表面分解形成抗氧化性能优异的正极电解质界面钝化膜，隔绝游离溶剂与正极活性材料直接接触，显著削弱溶剂氧化趋势。
低温下弱溶剂化电解液产气导致的电池失效
- 电池性能
数据显示改性后电芯的CO₂生成量从13.1 mL大幅降至1.1 mL，整体产气量下降六成以上，同时完整保留弱溶剂化电解液低温快速脱溶剂的动力学优势，不会牺牲电池低温容量输出性能，团队依次在扣式半电池、1.2 Ah硅碳/镍钴锰523软包全电池、3.5 Ah硅碳/镍钴锰811 21700商用圆柱电芯完成梯度性能验证，1.2 Ah软包电池在-20 ℃、0.2 C工况下可保留80%室温可逆容量，-40 ℃、-50 ℃极限低温下仍分别释放40%、30%的室温容量，性能远优于传统碳酸酯基准电解液，醚类弱溶剂体系因存在石墨共嵌入与剧烈副反应问题，即便搭配双添加剂也无法实现稳定循环，明确了酯类溶剂是三元硅碳动力电池适配弱溶剂化电解液的优选方向，最具产业化价值的3.5 Ah 21700圆柱电芯测试结果显示，改性电解液电芯在-20℃、0.4 C条件下稳定循环2100圈，运行时长超830天（超两年），容量保持率可达81.1%，倍率性能表现突出，1 C大电流放电仍保有71.6%峰值容量，充放电恒流段占比维持72%以上，界面极化程度极低，极限低温- 60 ℃环境下依旧可释放1.8 Ah可逆容量，传统电解液与未改性弱溶剂体系在此温度下直接停机失效，实物应用验证中搭载两节该款改性电芯的便携式低温电源，在2℃至-6℃全温域内均可稳定为手机供电，-60 ℃低温下输出功率仍能提升13%，相较对照组低温供电能力显著提升，这项工作首次完整解耦弱溶剂化电解液低温正负极产气来源，建立以二氧化碳为标识物的正极氧化产气研究范式，提出氟代碳酸乙烯酯调控负极SEI、二氟草酸硼酸锂构筑正极CEI的双界面协同改性新思路，完美平衡低温锂离子输运动力学与电解液抗氧化稳定性，同时完成从小型实验室电芯到商用大容量圆柱动力电池的全规格性能验证，为低温快充锂电池电解液的溶剂筛选、添加剂配方开发提供了理论依据与实验方案。
电池的低温性能
相关成果以Investigating and inhibiting cathode-side gas generation for practical low-temperature and fast Li-ion batteries为题发表于Nature Communications（2026, 17:7441），由上海交通大学变革分子前沿科学中心梁正研究员团队完成，陈源茂、岳昕阳为共同第一作者
