研究背景

电池化成技术对提高锂离子电池的电化学性能和降低生产成本起着至关重要的作用。然而，传统的高温化成技术在保证石墨负极稳定运行的同时，存在电解液消耗大、倍率性能差等问题。这是因为，一方面，高温促进溶剂的分解，形成厚的“马赛克”型固体电解质界面（SEI），厚的SEI膜增加了Li+在SEI膜内的扩散距离；另一方面，富有机物组分导致SEI离子电导率较低。显然，温度不仅影响电解液中的溶剂化结构，而且还决定了电极-电解质界面的化学反应速率。然而，作为决定溶剂化结构的关键因素，在设计先进电解液时以在化成过程中形成坚固的SEI膜时，环境温度往往被忽视。因此，综合考虑温度对溶剂化结构和SEI形成的双重影响，对优化锂离子电池的化成技术具有重要意义。

内容简介

在本项研究当中，提出了一种温度响应型电解液的非常规低温化成技术，这种电解液在低温下具有以阴离子为主的溶剂化结构。在5℃的化成循环过程中，增强的阴离子-阳离子相互作用抑制了的溶剂分解，促进了薄且富含氟化锂的SEI膜的形成。因此，石墨负极展现出5C的快速充电性能（198.89 mAh/g，占理论容量的53.39%），成功突破了商业石墨负极常见的2C速率瓶颈，并在0.5C下循环400次后实现了95.88%的容量保持率。

此外，与传统的高温化成技术相比，低温化成技术节省了52.73%的化成时间（从22.02小时缩短至10.42小时），并将锂损失从16.76%降低至7.21%。本研究实现了利用低温作为“驱动力”来调节溶剂化结构和界面化学。相关成果以“An Unexpected Low-Temperature Battery Formation Technology Enabling Fast-Charging Graphite Anodes”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。论文第一作者为Hou Ruilin，通讯作者为南京大学郭少华教授。

核心内容

图1. 温度响应型电解液的设计概念与溶剂化结构。a) TREs的设计概念：它可以在低温下像高浓度电解液一样生成无机SEI膜，并且像低浓度电解液一样在较宽的温度范围内保持高离子导电性。b) 分别在低浓度电解液（LCEs，1 mol/L LiFSI in EC）、高浓度电解液（HCEs，5 mol/L LiFSI in EC）和温度响应型电解液（TREs，1 mol/L LiFSI in EC/DBC）中的FSI⁻和EC的拉曼光谱。c) 三种电解液中不同溶剂化结构的比例。d) 三种电解液中FSI⁻、EC和DBC的变温拉曼光谱。e) 在室温下，5 mol/L LiFSI in EC中Li⁺的径向分布函数和配位数分布。f) 在室温下，TREs中Li⁺的径向分布函数和配位数分布。g) 在5℃下，TREs中Li⁺的径向分布函数和配位数分布。

图2. 不同温度下石墨负极的化成。(a)不同温度下石墨负极的首圈放电曲线。(b)不同温度下石墨负极三阶段SEI成膜过程的容量比。(c)各阶段储Li+容量比例随化成温度降低的变化趋势。(d)不同化成温度下石墨负极的化成时间。(e)不同温度下石墨负极化成后的库仑效率。上述数据证明最佳的化成温度是5℃。

图3. 不同温度下形成的SEI膜的成分与结构。a) 高温下循环，b) 室温下循环，c) 低温下循环，石墨负极在0.1C下循环5次后的TEM图像。d) 不同温度下，带有温度响应型电解液的石墨负极上SEI膜的C1s、O1s和F1s光谱。e) 对图3a-c中石墨负极不同区域的SEI膜厚度进行统计分析及误差条计算，可用于描述不同温度下形成的SEI膜的均匀性。f) 不同温度下形成的SEI膜中C─O和LiF的相对含量。g) 不同温度下化成后石墨负极的电化学阻抗谱。

图4. 不同温度下的化成过程及离子传输动力学。a–c) 在不同温度下SEI膜首次化成循环过程中的第一阶段、第二阶段和第三阶段的DRT曲线。d) 不同温度下石墨负极首次放电过程的原位DRT图谱，可通过RSEI峰的颜色变化间接评估SEI膜的形成过程。e) 不同温度下形成SEI膜后，石墨负极在室温放电过程的原位DRT图谱，可通过每种阻抗的颜色直接反映石墨负极能量存储过程的速率决定步骤。

图5. 使用温度响应型电解液在不同温度下形成的SEI膜的石墨负极的电化学性能。a) 不同温度下石墨负极的首次充/放电曲线。b) 在高温、室温和低温下形成的SEI膜的石墨负极在不同电流密度下的容量保持率。c) 在不同温度下化成后，石墨负极在室温下的循环性能。d) 高温化成与低温化成技术的对比雷达图。e) 从热力学和反应动力学角度阐释低温下温度响应型电解液形成的高质量SEI膜的机制，同时构建了溶剂化结构、界面溶剂化环境与温度响应型电解液在低温下化学反应速率之间的内在关系示意图。

结 论

在本项工作中，利用锂盐在EC和DBC中的独特温度依赖性溶解度，设计了一种新型的温度响应型电解液。其溶剂化结构在低温下以CIP或AGG为主。基于这种电解液，提出了一种开创性的低温化成技术，用于在石墨负极上形成薄且富含无机物的SEI膜。这种创新技术利用低温下阴离子富集而溶剂贫乏的电解液-电极界面，不仅确保了阴离子分解以形成SEI膜，还抑制了有机溶剂的分解。与传统的高温化成技术相比，低温化成技术的化成时间显著缩短52.73%，锂损失显著减少56.98%，速率性能显著提升46.09%。特别是，5℃下形成的SEI膜的石墨负极展现出优异的5C快速充电性能，容量达到198.89 mAh/g。本工作通过设计温度响应型电解液开创了一种新的电池化成技术，还为提升电池系统的速率性能和效率开辟了新途径。

参考文献

Hou, Ruilin, et al. "An Unexpected Low-Temperature Battery Formation Technology Enabling Fast-Charging Graphite Anodes." Advanced Functional Materials, 2025. https://doi.org/10.1002/adfm.202500481

文章来源：高低温特种电池

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