西安交大丁书江Joule：溶剂衍生的富有机SEI有效提升低温锂金属电池容量

锂金属电池因其超过500 Wh kg⁻¹的高能量密度而备受关注，然而在低温（尤其是低于-20°C）环境下面临显著的性能退化问题，其核心瓶颈主要源于界面动力学迟滞和材料/结构失效。为了提升锂金属电池的低温性能，近年来研究人员主要解决方案以电解液革新和SEI调控为核心，结合电极结构优化与热管理技术，逐步突破低温瓶颈。

西安交通大学化学学院丁书江教授团队针对低温锂金属电池（LT-LMBs）中固体电解质界面（SEI）的传统认知提出了突破性观点，并通过实验验证了溶剂衍生富有机SEI的独特优势。该研究成果以“Solvent-derived organic-rich SEI enables capacity enhancement for low-temperature lithium metal batteries”（溶剂衍生的富有机SEI有效提升低温锂金属电池容量）为题发表在国际能源领域顶级期刊“Joule”（《焦耳》）上，西安交通大学化学学院为第一通讯单位。论文第一作者为西安交大博士生阴祥凯，通讯作者为西安交大化学学院丁书江教授、高国新副教授和于伟副教授。

该研究成果核心创新点可归纳如下：

1. 理论突破：挑战传统SEI设计范式

传统观点颠覆：首次揭示低温条件下阴离子衍生的富无机SEI因界面传输动力学缓慢导致容量衰减，而溶剂衍生的富有机SEI反而表现出更优性能。这一发现打破了“无机SEI更优”的固有认知，为低温电池设计提供了新方向。

低温适配性理论：提出低温环境会放大SEI的动力学差异，强调需针对低温需求定制SEI（而非直接沿用室温优化策略），推动低温电池界面研究的范式转变。

2. 材料与结构创新：有机硅电解液构建稳定SEI

新型电解液设计：开发含Si–O键的有机硅电解液，其溶剂分子参与形成SEI，显著提升有机成分比例（16.51倍增加）。

SEI结构优化：所构建的富有机SEI兼具快速离子传输（弱界面作用力与孔扩散机制）与增强稳定性（Si–O键贡献），解决了传统有机SEI机械性能差的问题。

3. 机制揭示：界面溶剂化结构与SEI性能关联

近界面溶剂化结构调控：发现电解液溶剂化结构与SEI组分间的直接关联，提出通过调控溶剂化环境（如低温循环工艺）定向设计SEI化学组成，为界面工程提供理论依据。

动力学机制阐明：揭示富有机SEI的低界面阻抗源于更快的孔扩散机制，而传统无机SEI的致密结构在低温下阻碍离子迁移。

4. 工艺创新：低温成膜循环技术

开发低温形成循环（LT formation cycling）工艺，利用低温条件促进溶剂分子优先分解，实现SEI中有机组分的定向富集，为低温电池制造提供新方法。

5. 性能突破：创纪录的低温电池表现

极端低温性能：Li||NCM811电池在**-114.05°C**仍保持放电功能，刷新低温工作极限。

高容量与循环稳定性：在**-40°C下放电容量提升22.5%；1.2 Ah软包电池在-20°C**、贫电解液条件（2.5 mL Ah⁻¹）下循环50次后容量保持率达92.1%，展现实际应用潜力。

论文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00004-2