第一作者：黄金望

通讯作者：张波研究员、叶秀深研究员

通讯单位：中国科学院青海盐湖研究所，中国科学院大学

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500394

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正极-电解质界面直接影响锂离子电池的宽温域性能，尤其是长期循环性能。然而，改善阴极的高温和低温性能往往需要不同的方法，这使得统一这些策略变得困难。本工作通过在正极表面引入负载于纳米氢氧化镁上的Tween80分子来设计“烷基链摇曳”，以加速界面电解液的扩散。因此，既能及时形成阴极界面层，又能实现锂离子的快速转移，从而达成高/低温循环性能同步提升。

背景介绍

传统宽温域锂离子电池的研究主要集中在设计具有低粘度、高介电常数和耐高温特性的电解液上，但忽略了仅改进电解液会提升效果有限这一事实。若要有效提升锂离子电池宽温域性能，需要对电池进行系统优化，尤其是在电解液/电极界面处，其中正极界面尤为重要。本研究从自然界中动物精子的鞭毛运动中获取灵感，在正极镁基界面上设计一种“烷基链摇曳”机制，显著增强界面上的电解液流动性，从而在高温下迅速形成热稳定的、离子导电性的无机固态电解质界面膜，并在低温下促进高黏度电解液中锂离子顺畅传输，最终实现宽温域镁基锂离子电池制备。文章第一作者为博士研究生黄金望。同时，叶秀深研究员和李武研究员也为本研究的顺利实施提供了必要条件。

研究出发点

1）本研究通过设计一种弱交联的柔性受限空间，实现中位径为15nm的纳米氢氧化镁制备和Tween80原位负载。

2）在锂离子电池中， Li⁺与 Tween80 分子间存在持续的配位和解离过程，使得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。

3）通过镁基界面上的烷基链摇曳设计，使得电解液在正极界面上快速流动，加速正极固态电解质界面膜快速致密化形成，提升高温防护效果；同时，促进锂离子在低温高黏度电解液中快速迁移，增强低温性能表现。

图文解析

图1. 弱交联柔性受限空间电合成纳米氢氧化镁电化学分析。电解质（a）线性扫描伏安曲线和（b）奈奎斯特图。（c）弱交联柔性受限空间作用机制示意图。功能化纳米氢氧化镁颗粒（d）结构示意图和（e）Zeta 电位分布。

在柔性受限空间电合成纳米氢氧化镁过程中，Tween80 聚集体在电解液中呈现出油包水结构，并在与镁离子结合带正电荷。在电场和表面吸附作用下，这些聚集体向阴极迁移并聚集，形成一个局部高浓度区域。通过PEG基团的相互作用以及 OA 链的缠结，重新排列形成弱交联柔性受限空间。在该受限空间内，由析氢反应和不对称还原反应产生的氢氧根与镁离子发生沉淀反应。该受限空间内的强电化学极化作用促进纳米金属氢化镁（nano-MHs）快速成核，并通过空间和镁源限制来抑制晶体继续生长。在nano-MHs形成过程中，Tween80 分子原位吸附在其表面。所得nano-MHs@Tween80通过吸附质子（H⁺）而获得了较高的Zeta电位，这导致了强烈的静电排斥作用，防止颗粒聚集，并确保在酸性电解质中具有良好分散性。

图2. nano-MHs@Tween80表征。（a）SEM,（b）XRD,（c）颗粒厚度和半径分布，（d, e）TEM，和（f）电子衍射图像。

所得功能化纳米氢氧化镁颗粒为多晶态，主要沿（101）和（110）平面生长，中位径低至15nm。

图3. Nano-MHs@Tween80和NCM复合正极材料热力学分析。（a）比热容曲线。（b, c）原位 XRD 图谱。（d）TG 曲线。（e）拉曼光谱以及（f）渗透测试后不同样品锂离子浓度分布。

负载了nano-MHs@Tween80的NCM正极材料比热容明显高于普通NCM，尤其是在 60°C 以下，表明其热性能更稳定。为在组装电池之前评估材料稳定性和安全性，进行了高温原位 XRD 和 TG 分析。随着温度升高，普通NCM材料发生从层状-尖晶石-岩盐相转变。相比之下，nano-MHs@Tween80复合NCM材料自始至终没有发生明显相转变，这应归因于nano-MH 的分解吸热反应有效抵挡了对正极材料的热冲击，改结果为高温下所设计电池的安全运行提供了关键证据。

图4. 电池高温性能表现。（a）半电池60°C长循环，（b）充放电曲线，（c）拆解后半电池铝集流体和（d）60°C 100 次循环后铝和镍在锂金属上沉积量。60°C 100 次循环后（e, f）高分辨率透射电子显微镜图像和 F1s XPS 细分光谱。

烷基链摇曳机制使得NCM正极界面上快速形成薄而致密的富含镁、锂、氟的无机膜。这种膜不仅热稳定性高、耐腐蚀性强，还有良好的离子导电性，能够有效抵御电解质攻击，并显著提高 NCM 的导电性和稳定性。此外，反应过程中产生的微量水分和内部热量可被nano-MHs@Tween80吸收。因此，高温下电池表现出出色的恢复能力和优异的超长循环寿命。

图5.电池低温性能表现及烷基链摇曳性能增强机制。（a）不同半电池-15°C长循环性能。（b）-15°C时正极锂离子通量和锂盐浓度分布。（c）原位傅里叶变换红外光谱。（d）Tween80 分子静电势分布。（e）与已报道工作高低温循环寿命比较。（f）烷基链摇曳机制示意图。

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。在NCM中添加10 wt.% MHs@Tween80 后，烷基链摇曳显著促进了正极界面电解液流动，锂离子传输变得非常顺畅，使得电池低温循环性能大幅提升。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，使得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。

总结与展望

本工作提出一种主动型的正极镁基界面驱动机制，相比以往工作多是通过被动式设计来提升电池性能，烷基链摇曳可以主动促进正极界面上电解液流动，同时达成CEI膜快速致密形成和锂离子顺畅迁移，从而实现锂离子电池高低温性能增强机制的统一，该方法为宽温域锂离子电池设计提供了另外一种思路。

课题组介绍

张波研究员主页：https://isl.cas.cn/rcdw/zgj/202505/t20250516_7655099.html

原文信息

Jinwang Huang, Lulu Song, Bo Zhang*, Yuxiang Zhao, Yulong Qian, Chunyan Wang, Xiushen Ye*, Fayan Zhu, Wanzhen Zhang, Yongqi Shu, Xueting Li, Hongbo Zhang, Wu Li, Tiezhu Ma, Xinrui Zhang, Lithium-Ion Batteries with Superlong Cycle-Life in Wide Temperature Range via Interfacial Alkyl-Chain Sway. Adv. Mater. 2025, 2500394.