共晶電解液的出現為提高電池的溫度適應性和工作穩定性提供了新的可能。在共晶電解液中，通過兩個或多個組分之間的氫鍵、路易斯酸堿以及范德華相互作用，可以實現對游離溶劑的有效錨定，從而擴大了其適用溫度范圍。然而，在實際應用中，共晶混合物中的強極性溶劑會加劇過渡金屬的溶解，導致與電極的相容性受限。此外，Li+濃度的增加也會導致電化學窗口的整體正移，使得其還原穩定性降低，從而進一步導致在低電位下的嚴重副反應。因此，構建具有高還原穩定性和電極相容性的共晶電解液成為提高鋰金屬電池循環穩定性和溫度適應性的主要挑戰。

近日，復旦大學材料科學系王飛教授團隊利用弱溶劑化四氫吡喃（THP）溶劑設計了一種新型共晶電解液，在保持電化學和熱力學穩定性的同時，進一步改善了其與金屬氧化物正極和鋰金屬負極的相容性，為高溫高壓鋰金屬電池電解液的開發提供了一條有效途徑。相關研究成果以“Weakly solvating cyclic ether-based deep eutectic electrolytes for stable high-temperature lithium metal batteries”為題，發表于Angewandte Chemie International Edition。

考慮到高溫下電解液存在的問題，團隊首先利用共晶電解液組分間的相互作用，實現對體系中不穩定游離溶劑的錨定，將電解液的液態溫區拓寬為−62.7–346 °C。并在此基礎上，使用弱溶劑化的THP替代常規的強極性配體溶劑，改善過渡金屬溶出等副反應，提高共晶電解液與金屬氧化物正極的相容性。由于組分間的陰離子效應（TFSI-THP），所構建的共晶電解液可以打破弱溶劑化所帶來的低濃度限制，實現1:1.7的高鋰鹽/溶劑摩爾比。

圖1：弱溶劑化共晶電解液的設計原則

團隊進一步研究了電解液的溶劑化結構。由于陰離子和溶劑間存在類氫鍵相互作用，所構建的弱溶劑化共晶電解液中可以形成陰離子主導的溶劑化結構，游離溶劑數量大幅減少，鋰離子的整體配位增強。得益于改善的溶劑化結構和THP本身的低還原電位，弱溶劑化共晶電解液的電化學窗口拓寬到5.4 V，同時保持了良好的熱力學穩定性。

為了驗證這種新型共晶電解液的可行性，團隊使用溶解副反應嚴重的錳酸鋰正極（LiMn2O4，LMO）與鋰金屬負極匹配，組裝Li||LMO模型電池。采用弱溶劑化共晶電解液的模型鋰金屬電池在室溫下表現出良好的循環和儲存穩定性，600次循環后容量保持率為96.02%，遠高于常規低濃度電解液和強溶劑化共晶電解液。電極、電解液和界面相的進一步分析表明，Li||LMO電池優異的循環和儲存穩定性可以歸因于電極表面陰離子誘導生成的富無機穩定界面相，以及電解液對引起電極結構退化的過渡金屬溶出副反應的有效抑制。因此，即使在高溫環境下，所構建的弱溶劑化共晶電解液依然能夠使Li||LMO電池展現卓越的高溫性能，在循環120次后的容量保持率高達91.72%，高溫儲存240小時過程中表現出低自放電率。

圖2：使用共晶電解液的鋰金屬電池的高溫性能

該研究證明了基于THP的弱溶劑化共晶電解液對于提高金屬氧化物正極和鋰金屬負極高溫穩定性的積極意義。通過陰離子效應，該共晶電解液中的游離溶劑得到有效錨定，體相穩定性提高，并誘導生成了穩定的電極-電解液界面相。此外，該電解液可以最大限度地減少LMO正極和電解液間的副反應，緩解過渡金屬溶出引起的結構退化。因此，使用該共晶電解液的Li||LMO電池在高溫下，表現出卓越的循環和儲存穩定性。該研究為基于弱溶劑化效應的共晶電解液在高溫鋰金屬電池中的應用提供了概念性驗證，并為高溫高壓下鋰電池電解液的開發提供了一條新的途徑。

復旦大學材料科學系碩士生楊燕如為論文的第一作者，王飛教授為論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金國際合作項目、上海市國際科技合作項目、土耳其科學技術研究理事會等的經費支持。