Decoding polarity gradient enabled ultra-high lithium ion conduction

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作者
Yuqing Chen,Aiping Wang,Yun Zhao,Wei Wang,Robert Dominko,Peitao Xiao,Peng Gao,Yan Duan,Baohua Li,Xiangming He,Jilei Liu
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:13 (3): nwaf543-nwaf543 被引量:5
标识
DOI:10.1093/nsr/nwaf543
摘要

ABSTRACT The operational stability of lithium-ion batteries under extreme cryogenic conditions remains fundamentally constrained by solvation structure heterogeneity in conventional electrolytes, where imbalanced coordination fields between high- and low-polarity solvents exacerbate desolvation barriers and interfacial ion transport resistance. Herein, this study introduces a polarity-gradient engineering (PGE) paradigm that systematically resolves solvent polarity disparity (ΔD) through atomic-scale electronic modulation. By substituting carbon with sulfur in carbonate skeletons, an 83% reduction in dielectric heterogeneity is reached (Δε = 17.1 vs. 86.6 in carbonates), enabling balanced Li⁺ coordination among cyclic/linear sulfites and anions. This homogenized solvation feature significantly accelerates desolvation kinetics (34.97 kJ·mol⁻1 activation energy vs. 79.1 kJ·mol⁻¹ in carbonates) and promotes the formation of LiF-rich interphase. Benefiting from these, the optimized electrolyte demonstrates liquid operation down to −110°C with 1 mS·cm⁻1 at −80°C, thus enabling 450 Wh·kg−1 LiCoO2/Li pouch cells to perform stable cycling at −20°C with 81% capacity retention over 400 cycles, with 73% of room-temperature capacity at −60°C. The homogeneous solvation structure intrinsically couples thermodynamic stability with accelerated interfacial kinetics, revealing a paradigm for extreme-condition energy storage. This study pioneers a universal design framework that decouples the trade-off between desolvation barriers and ion mobility, delivering an atomic-scale blueprint for cryogenic batteries.
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