近日，我院郑奇峰团队在Wiley出版社期刊Angew上发表了题为“Electrolyte chemistry towards ultra-high voltage (4.7 V) and ultra-wide temperature (−30 to 70 °C) LiCoO2 batteries”的研究成果。该成果报道了一种基于部分氟代羧酸酯溶剂的电解液调控策略，兼具低溶解能、高Li+传输速率、卓越氧化稳定性、优异耐热性和不可燃性多项优点，并且能够形成富无机正极电解质界面膜（CEI）和负极电解质界面膜（SEI），实现了高电压宽温域钴酸锂电池的稳定运行。该工作为用于高电压宽温域钴酸锂电池的电解质设计提供了一种全新的思路和方法。团队杨雯铭研究生、陈玟本科生为共同第一作者，郑奇峰教授为通讯作者。
LiCoO₂具有较高的理论容量（274 mAh g⁻¹）和振实密度，因此成为3C消费电子产品电池中常用的正极材料。将电池充电截止电压提高（>4.5 V）可以显著提升电池的实际能量密度。然而，常规商用碳酸酯类电解液存在较差的热力学稳定性及较高的凝固点，这些问题限制了高电压钴酸锂电池在极端气候条件下的稳定运行。
基于此，团队利用具有弱Li⁺相互作用、高盐的解离能力、高界面稳定性和优异的热力学稳定性的乙酸2,2-二氟乙酯（DFEA），设计了一种钴酸锂电池高电压宽温电解液HWE（0.9 M LiFSI+0.3 M LiDFOB FEC/DFEA/TTE）。通过系统的电化学及材料表征分析结合理论模拟，研究发现：（1）由于氟代溶剂具有较低的HOMO能级，HWE具有优异的热力学稳定性，有效抑制高电压下电解液的氧化分解；（2）得益于在HWE中形成稳定的富含无机物（以LiF及硼化物为主）的CEI，有效的抑制了LCO正极材料在H1-3相时发生活性氧的逸出及Co2+的溶出，缓解了LCO由层状向尖晶石相的不可逆转变；（3）基于DFEA设计的HWE具有较低的Li+脱溶剂化能及超低的凝固点（<−90 °C），从而实现极端低温条件下全电池稳定运行；（4）得益于HWE优异的成膜能力，在钴酸锂及石墨表面原位形成富含无机物的高热稳定性界面膜，结合电解液优异的热稳定性及非燃性质，实现钴酸锂全电池在高温（70 °C）的稳定运行。
得益于上述氟代溶剂电解液的合理设计，实现钴酸锂半电池在4.7 V 高充电截止电压稳定循环200圈仍有80%的容量。在4.55 V的高截止电压下，使用HWE的高电压Gr||LCO全电池在−30 ~ 70 °C范围内表现出优异的循环性能，这是迄今为止报道的高电压（≥4.3 V）钴酸锂电池的最宽工作温度范围。此外，使用HWE的Gr||LCO软包电池在4.6 V的高截止电压下，实现240 Wh kg−1的高能量密度的Gr||LCO软包电池的稳定循环100次循环后仍保持其初始容量的78%。HWE展现出卓越的氧化稳定性及热力学稳定性、良好的正负极成膜能力、超宽的液程和快速的锂离子扩散动力学，成功实现了钴酸锂电池高电压全场景范围的稳定工作，极大提升了钴酸锂电池的能量密度和工作温度范围，超越了传统电解质的性能局限，为设计高压宽温域金属离子电池的电解质设计开辟了新路径。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202424353