【文章信息】
解锁耐低温锂金属电池：机制、挑战、AI与功能电解质设计
第一作者：王晶，Jai Kumar,
通讯作者：王转培*，杨晓伟*
单位：河南大学，上海交通大学
【研究背景】
锂金属阳极凭借3860 mAh g⁻¹的理论容量（石墨的10倍）和最低电化学电位（-3.04 V），成为高能量密度电池的理想选择。然而，低温环境下电解质粘度升高、离子电导率骤降，导致电池性能急剧衰退。锂金属电池的固有缺陷：高反应性、体积膨胀及不稳定的固体电解质界面（SEI），而本文揭示了锂离子在低温充电过程中的迁移障碍，其中脱溶剂化过程成为主要能垒。
【文章简介】
近日，河南大学能源科学与技术学院联合上海交通大学在国际知名期刊《Materials Today》（影响因子22）上发表了一篇题为“Unlocking Low Temperature-Resistant Lithium Metal Batteries: Mechanisms, Challenges, AI and Functional Electrolytes Design”的综述文章，为低温环境下锂金属电池（LMBs）的性能优化提供了全新的思路与解决方案，有望推动锂金属电池在极端条件下的广泛应用。河南大学博士生王晶和博士后Jai Kumar为共同第一作者，杨晓伟教授及王转培教授为共同通讯作者。
【本文要点】
一、电解质工程：从溶剂创新到高熵设计
1. 不对称醚溶剂：打破低温粘度限制
设计了一种不对称醚溶剂（如MPE和EME），其分子结构显著降低粘度并提升离子电导率。通过分子动力学模拟，该溶剂削弱了Li⁺-溶剂相互作用，使交换电流密度提升50%以上，实现了-30℃下稳定循环。
2. 新型锂盐：优化界面化学
通过对比LiTFSI、LiSTFSI等锂盐的静电势与离子电导率，发现小体积阴离子（如STFSI⁻）可促进盐解离，并生成富含LiF的CEI层。雷达图显示LiDFTFSI在稳定性与电导率间取得最佳平衡。
二、硝酸锂添加剂：低温性能的“游戏规则改变者”
硝酸锂（LiNO3）能形成富含Li3N的高导离子SEI，但其在碳酸酯电解质中溶解度极低。高熵电解质：图11a-b阐释多盐混合降低凝固点的机制，其离子电导率在-40 ℃仍保持5.8 mS cm-1，全电池容量保持率达99%。
三、AI驱动：加速电解质设计革命
研究团队利用AI模型分析超万篇文献数据，预测溶剂-盐-添加剂组合的性能。展示了通过机器学习筛选的氟化有机分子，可构建无机-有机杂化SEI层，显著提升界面稳定性。
四、应用前景与未来方向
该综述不仅深入分析了现有电解液功能化技术的局限性和问题，还为未来高性能低温锂金属电池的设计提供了潜在的方向。另外，该综述深入探讨了低温电解液领域的突破，为下一代锂金属电池在苛刻条件下的实际应用指明了发展方向。团队建议未来聚焦以下方向：
1. 开发新型硝酸盐衍生物以提升溶解度；
2. 结合AI与高通量实验优化多组分电解质；
3. 通过原位表征技术解析SEI动态演化。
这项跨学科研究不仅破解了低温锂金属电池的核心难题，更开创了“电解质设计-AI预测-界面工程”的全新研发范式。随着技术迭代，下一代高安全、宽温域储能设备将加速迈向商业化，为全球碳中和目标提供关键支撑。
【文章链接】
Unlocking Low Temperature-Resistant Lithium Metal Batteries: Mechanisms, Challenges, AI and Functional Electrolytes Design
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.06.039
【通讯作者简介】
杨晓伟，国家杰出青年科学基金获得者、中组部万人计划“青年拔尖人才”、科技部青年973计划首席科学家，中国化工学会储能工程专委会副主任，上海交通大学特聘教授，河南大学能源科学与技术学院院长。以第一/通讯作者在Science等高水平期刊发表100多篇学术论文。
王转培，河南大学特聘教授，入选河南大学“黄河学者高层次人才”，2024年加入杨晓伟教授团队。以第一/通讯作者在Materials Today、Coordination Chemistry Reviews、ACS Energy Lett.、Nano Energy、Energy Storage Mater.等发表学术论文20余篇。
