物理所揭示温度调控锂金属电池界面相和Li+输运

　　锂离子电池（LIBs）在低温（＜-20 ℃）下的稳定运行，对于电动汽车的推广和应用至关重要。在低温下，锂离子（Li+）迁移速率降低、反应速率减慢，导致电池内阻增大、可逆容量下降、电动汽车的续航里程减少，甚至可能诱发锂枝晶生长，增加安全隐患。与石墨负极相比，金属锂负极具有更高的能量密度（3860 mAh g-1），是LIBs的理想负极材料。探讨金属锂的微观结构和性能随温度的变化规律，是突破LIBs低温反应动力学瓶颈、提升其低温性能的关键。

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心特聘研究员王雪锋和研究员王兆翔等，利用冷冻高分辨透射电子显微镜（cryo-HRTEM）、电子能量损失谱（EELS）、X射线光电子能谱（XPS）和电化学阻抗谱（EIS）等多种测试分析方法，探究了在锂金属电池中Li+在不同温度条件下的传输行为及界面相演化规律，并揭示其与电化学性能之间的构效联系。

　　结果显示，在动力学上，降低温度增大了锂沉积过程中的反应动力学能垒，减缓了Li+通过电解液和界面相（SEI膜）输运过程，并减慢了电荷转移速率，包括去溶剂化、电解液分解和锂沉积过程。这将导致在低温下电池极化增大和锂枝晶生长。此外，在热力学上，降低温度会改变电解液中锂盐和溶剂的分解反应路径，导致锂盐和溶剂的不完全分解/反应，形成富含亚稳有机中间产物的界面相，不利于Li+在其中传输。与去溶剂化过程相关的电荷转移阻抗（Rct）相比，Li+通过界面相输运的阻抗（RSEI）是限制低温下反应速率的主要步骤。通过调控电解液中Li+的溶剂化结构，如采用具有较低的最低未占据轨道（LUMO）能级和极性基团的电解液溶剂，生成富含无机物的界面相，提高其对温度的耐受性（指SEI膜组分和结构随温度变化影响较小）。上述研究有助于剖析温度调控锂沉积/溶解过程中的Li+行为和界面相演变，加深科学家对电池内部反应动力学瓶颈的理解，并为低温电池设计和性能改善提供理论依据。

　　相关研究成果以Temperature-dependent interphase formation and Li+ transport in lithium metal batteries为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持。