杨晓伟/王转培团队Materials Today综述:解锁耐低温锂金属电池:机制、挑战、AI与功能电解质设计

发布时间:2025年07月09日     作者:     点击量:


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。