Litiumjonbatterier (LIB) uppvisar betydande prestandaförluster vid temperaturer under noll grader. Dagens kommersiella elektrolyter är i optimerade för drift vid rumstemperatur och förmår inte leverera stabil prestanda under extrema förhållanden.

Syftet med detta arbete bestod av två huvudsakliga mål: (i) att etablera koordineringsenergi—styrkan i interaktionen mellan Li⁺-joner och lösningsmedelsmolekyler—som ett enhetligt ramverk för elektrolytens prestanda, och (ii) att utveckla och utvärdera elektrolytformuleringar som kan möjliggöra tillförlitlig bredtemperaturdrift från –50 °C till +60 °C.

Elektrolyter baserade på LiPF₆ med grafit- och LCO-elektroder undersöktes systematiskt. Resultaten visade att valet av separator avgör om jonledningsförmåga eller laddningsöverföring dominerar som hastighetsbestämmande processen. Vidare identifierades grafitens skiktsavstånd som en avgörande faktor vid låga temperaturer: kvarvarande Li⁺-joner expanderade strukturen och möjliggjorde en gradvis kapacitetsökning vid låga temperaturer, medan förladdade i rumstemperatur celler redan hade expanderade skikt och därmed hög initial kapacitet.

Undersökningar av lösningsmedlens kedjelängd visade att även om koordineringsenergierna var nästan identiska för lösningsmedelmolekyler påverkades prestandan tydligt av kedjelängden: kortare kedjor förbättrade Li⁺-diffusion och desolvation vid låga temperaturer, medan längre kedjor hämmade nedbrytning av elektrolyten vid rumstemperatur, vilket påvisade en tydlig avvägning. Tester med alternativa huvudlösningsmedel molekyler till EC, såsom PC och IZ, visade att molekyler med liknande koordineringsenergi som EC kan möjliggöra lågtemperaturcykling men lider av svag kompatibilitet med grafit. 

Lithium-ion batteries (LIBs) suffer from severe performance losses at sub-zero temperatures. Current electrolytes are typically optimized for room temperature operation and fail to provide stable performance across extreme conditions.

This work pursued two main objectives: (i) to establish coordination energy—the strength of interaction between Li⁺ ions and solvent molecules—as a unifying framework electrolyte performance, and (ii) to design and evaluate electrolyte formulations capable of reliable wide-temperature operation from –50 °C to +60 °C.

Electrolytes based on LiPF₆ with graphite and LCO electrodes were systematically studied. The results demonstrated that separator type determines whether ionic conductivity or charge transfer dominates as the rate-limiting step. Furthermore, the graphite interlayer distance was identified as critical at low temperature, with residual Li⁺ expanding the structure and enabling gradual capacity build-up, while pre-charged cells already had expanded spacing and high initial capacity. 

Investigations of solvent chain length revealed that, despite nearly identical coordination energies, chain length strongly influenced performance: shorter chains improved Li⁺ diffusion and desolvation at low temperature, while longer chains suppressed decomposition at room temperature, revealing a clear trade-off. Tests with alternative main solvents to EC, such as PC and IZ demonstrated that solvents with similar coordination energies to EC can enable low-temperature cycling but suffer from poor graphite compatibility. 

Finally, the investigation with the addition of FEMC, along with the rest of the experiments, validated the coordination energy hypothesis. It demonstrated that for stable performance, two conditions must be satisfied: (i) at least one solvent must have sufficiently high coordination energy to dissociate the lithium salt, and (ii) the coordination energy difference when (ΔE) between solvents must remain small to enable uniform solvation and facile desolvation. Under these conditions, FEMC lowered IR drop and improved conductivity, showing also that fluorinated solvents can enhance performance of LIB when aligned with the framework.

Taken together, these results establish coordination energy as a potential central design principle and demonstrate that electrolytes developed under this framework can achieve reliable wide-temperature operation from –50 °C to +60 °C, providing both fundamental insight and practical pathways for next-generation LIBs.