青海盐湖所溶液化学课题组李武、张波研究员团队在宽温域镁基锂离子电池研究领域取得新进展。研究团队通过对电池正极界面进行“烷基链摇曳”设计，成功统一了锂离子电池高、低温性能增强机制，电池宽温域循环性能相较已报道工作有跨越式提升。
锂离子电池的宽温域性能，直接决定其在极端环境中的应用表现。经过数年探索，来自世界各地的研究者们最终形成共识，认为正极界面过程是决定锂离子电池宽温域循环性能的关键所在。然而锂离子电池在高温和低温下的循环性能增强机制存在巨大差异，技术路径截然不同，使这项工作极具挑战性。研究团队受自然界中动物精子通过鞭毛摆动改变自身周围流场进行移动的现象启发，在锂离子电池正极界面上进行“烷基链摇曳”设计，显著促进界面电解液流动，正极固态电解质界面膜得以快速形成，在能够及时抵御高温下电解液对正极材料的攻击的同时，可加速低温下高黏度电解液中的锂离子传输，同步提升电池高低温性能。
研究团队首先以Tween80为框架物质构建一种弱交联柔性受限空间，电沉积获得所需超细纳米氢氧化镁载体（D50=15 nm），并通过Tween80原位改性实现纳米氢氧化镁功能化。用所得材料对锂电池三元正极材料（LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2）进行表面修饰，并进行电池组装和性能测试。原位红外分析表明，Li⁺与 Tween80 分子间存在持续的配位和解离过程，使Tween80 分子荷电状态发生动态变化，并在电场作用下发生连续的构型转变，亦即“烷基链摇曳”行为。烷基链摇曳使得纳米氢氧化镁在电池循环伊始就参与反应，快速形成薄而致密的富镁无机正极固态电解质界面膜。这种膜热稳定性高、耐腐蚀性强，能够有效抵御高温电解液攻击。而在低温环境下，电解液通常会在正极表面积聚，并常因流动性差而阻碍锂离子传输。此时烷基链摇曳可显著促进电解液的界面流动，兼之富镁界面层具有优异离子导电性，使锂离子低温传输变得非常顺畅。研究结果表明，通过“烷基链摇曳”界面驱动设计，锂离子电池可在60℃稳定充放电1000圈以上，同时保持70 mAh/g容量和90%以上库仑效率。在-5℃和-15℃分别循环500圈、200圈后，容量仍能保持在80 mAh/g以上。该研究在配备热管控系统后，电池实际宽温域性能有望进一步提升。
该研究结果以“Lithium-Ion Batteries with Superlong Cycle-Life in Wide Temperature Range via Interfacial Alkyl-Chain Sway”为题发表于材料学期刊Advanced Materials（影响因子27.4）。本项研究是在溶液化学课题组组长李武研究员的领导下，由张波研究员团队完成，青海盐湖所博士研究生黄金望为论文第一作者，叶秀深研究员和其他青海盐湖所师生在本研究过程中提供了重要帮助。论文通讯作者为张波研究员和叶秀深研究员。本研究受益于青海盐湖所老一辈科学家塑造的良好科研氛围，并得到青海省科技厅应用基础研究项目（2023-ZJ-758）和青海省“昆仑英才·高端创新创业人才”计划-领军人才项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500394
烷基链摇曳机理示意及电池长循环性能对比