由于对高能量密度设备的需求不断增加，这些设备需要具有长循环寿命和温度不敏感性，因此迫切需要开发与锂金属负极和高电压正极（≥4.4 V）兼容的先进电解质，特别是在低温下。然而，基于乙烯碳酸酯（EC）的商业化电解质在-20°C以下无法运行，这是由于EC和Li+在强溶剂化结构中的强结合，从而限制了Li+的脱溶剂化。

在此，华中科技大学黄云辉团队系统研究了一系列不同氟化度和/或氟化位点的氟化乙酸乙酯溶剂作为电解液溶剂，以揭示溶剂分子结构与它们的电化学性质之间的关系。

研究发现，与单氟化物（-CFH2）、三氟化物（-CF3）和甲基侧二氟（-CF2H）对应物相比，部分氟化的乙酸乙酯（-OCH2CF2H）赋予电解液适度的溶剂化结构，并在离子导电性、低温性能和电极/电解液界面稳定性方面展现出有利的平衡。该种适度的溶剂化结构还产生了富含LiF的无机界面，有效地抑制了锂枝晶生长、相变、微裂纹和过渡金属的溶解等问题。

基于此，设计的电解液在室温（RT）和-20°C下展现出高锂沉积/剥离库仑效率分别为98.5%和97.5%。此外，450 Wh kg-1的软包电池（Li||NCM811）在-20°C下以低电解液/容量（E/C）比为1.5 g Ah-1运行75个循环后，容量保持率为83.4%。

图1. 氟化乙酸乙酯溶剂分子的静电势图及溶剂化作用表征

总之，该工作提出以乙氧基侧部分氟化乙酸乙酯作为溶剂，以改善锂金属电池在低温和高电压下的性能。研究显示，氟原子在乙氧基侧二氟取代基（-OCH2CF2H）中的电子吸引效应有利于形成适度的溶剂化结构，从而实现氟化溶剂的平衡电荷分布和与Li离子的适度结合，进而加速了低温下Li+的去溶剂化剂化过程。此外，EA-2F分子在电极表面的优先分解产生了富含LiF的界面，有效抑制了低温下锂枝晶的生长和高电压正极的稳定。

基于此，组装的Li||Cu电池在室温和-20℃下分别实现了98.5%和97.5%的高库仑效率。此外，该溶剂使得450 Wh kg–1的Li||NCM811软包电池在-20℃下能够提供长达75个周期的长寿命。因此，该项工作突出了适度溶剂化结构设计策略在实际高能量密度锂金属电池在低温下应用中的有效性。

图2. 电池性能

Moderate solvation structure of lithium ions for high-voltage lithium metal batteries at −40 ºC, Energy & Environmental Science2024 DOI: 10.1039/d4ee03192j