低溫效能不足：現有的可充電電池溫度過低（鋰離子電池的侷限性：採用碳酸乙烯酯 （EC） 基電解質的鋰離子電池能夠在大約 -20°C 的溫度下工作，但由於離子電導率降低、介面電荷轉移動力學較慢以及電極中鋰離子傳輸困難，其效能受到限制。
鋰亞硫醯氯電池的轉換：鋰亞硫醯氯 （Li-SOCL2） 電池以其高能量密度但缺乏可充電性而聞名。 儘管該團隊已將其在室溫下轉換為Na Cl2（或Li Cl2）二次電池，解決了無法為半個地球充電的問題（見《自然》），但低溫下的可充電Li Cl2電池仍未得到探索。 更重要的是，Li Cl2電池在低溫下的化學性質在很大程度上是未知的。
研究人員構建了一種CR2032紐扣電池，該電池以鋰金屬為負極，KJ（Li KJ電池）或KJCO2（Li KJC2電池）為正極，電解液由10 m alcl3 + 0.95 M LiCl 溶解在 SOCL2 和 0 中05 M Lifsi新增劑組合物（圖1A）。 商業KJ材料（EC-600JD，圖1B）在1,000 CO2中活化45分鐘後顯示出蝕刻跡象和顯著尺寸減小（KJCo2，圖1C），同時由於反應CO2（G）+C（S）2CO（G）而損失了約85%的質量。 在室溫下，KJ 和 KJCO2 電池的首次放電容量分別為 15,300 mAh g-1 或 30。6 mAh cm-2 和 29,100 mAh g-1 或 582 mAh cm-2，（Li KJCo2是Li KJ電池的2倍;電流 = 50 mA g-1，圖 1d），放電電壓為 355 v。請注意，在整個研究中，比容量和面積比容量分別基於陰極負載碳的質量（2 mg cm-2）和電極面積（1.）767 cm2），這是鋰空氣或鋰 O2 電池的常用方法。在相同電流下，較高的 6 mg cm-2 KJC2 質量負載仍能提供令人印象深刻的 9,407 mAh g-1 的首次放電容量。 第一次放電 （3.）55 V 平台）是由於鋰金屬在陽極氧化為 Li+，SOCL2 還原為硫 （S）、二氧化硫 （SO2） 和 LiCl 沉積在多孔碳陰極 （2SOCl2 + 4 Li+ +4E-S + SO2 + 4 LiCl），並伴有顯著的 SO2 還原 32 V 平台。 CO2 活化過程使 KJ 的比表面積變為 KJC2（從 1307 開始）。4 m2 G-1 增加到 23869 m2 g-1）和孔隙體積（從 31 cm3 g-1 增加到 65 cm3 g-1）（圖1E），導致LICL的沉積增加和放電容量的提高（圖1D）。碳材料的高比表面積和大孔體積也對鈉氯充電電池的可逆比容量有重要影響。
在低溫下，鋰KJCo2電池在-20、-40和-80處的首次放電電壓容量為34 v/8,521 mah g.3 V 5,532 mAh G-1 和 31 V 4,503 mAh g-1（圖2A）。 X射線衍射（XRD）證實，KJCo2的孔隙和表面均存在LICL沉積物（見圖2C示意圖）（圖2B）。 這與正極碳材料的孔體積與原電池和最近報道的二次電池的首次放電容量之間的正相關關係一致。 根據SOCL2還原反應方程式和第一放電容量，在RT、-20、-40和-80條件下，總孔容為0與 023 cm3 相比，估計沉積體積 LICL 為 007 cm3、~0.027 cm3、~0.013 cm3 和 0011 cm3。
由於電解液粘度的增加，Li+和Cl-離子的擴散減小，電解液電導率從室溫下的20降低34 ms cm-1 在 5 時降至 -80在26 mS cm-1時，KJCo2上的LICL沉積隨著較低溫度下放電容量的降低而降低（圖2A）。 由於晶體在較低溫度下的生長動力學較慢，沉積在電極上的LiCl晶體的尺寸分別從室溫下的>3 M減小到-20、-40和-80時的15 m、200 nm 和 60 nm（圖 2F-H），XRD 光譜較弱（圖 2B）。
在 -40 時， 在 100 mA 時 g-1 0在 2 mA cm-2 電流 （C12） 下，LI KJCo2 電池的電流為 1200 mAh G-1 （24 mAh cm-2），平均庫侖效率（CE）為100%，而室溫下為130次迴圈（圖3A）。此外，該電池在 -40 的 75 次迴圈中表現出更高的迴圈性，比容量為 2500 mAh g-1（面積容量：每個迴圈約為 5 mAh cm-2）（圖 3b），比 -20 的 15 次迴圈有顯著改善。 當迴圈容量繼續增加到 4000 mAh g-1（面積容量 8 mAh cm-2）和 5000 mAh g-1（面積容量 10 mAh cm-2）時，儘管迴圈壽命縮短，但仍表現出可充電的可回收性，< 10 次迴圈（圖 3c、d）。 在更高的速率下，-40 Li KJCO2 電池能夠以相同的速率以 2500 mAh g-1 的容量和高達 400 mA g-1 的容量進行充電和放電 （C 6.）。25，~0.8 mA cm-2），充放電極化電壓過電位略有增加。電池的CE最初偏離100%（圖3A-D），表明出現了“原位活化”過程，例如當電池開始充電和迴圈以及膨脹和脫落時，無序碳層插入陰極。 由於電解液的滲透，這允許在迴圈開始時每次充電後減少更多的 SOCl2，從而將 CE 提高到 100%。 這種“原位活化”允許陰極攜帶額外的LICL和電解質，並在隨後的放電步驟中改善電解液潤濕性，特別是在低溫下。 在最初的幾個迴圈之後，“原位啟用”停止，電池進入穩定的迴圈階段，達到 100% CE。 最近幾個迴圈的庫侖效率（<100%）可能是由於陰極攜帶Cl2的能力下降，以及LiCl2氧化還原反應的可逆性降低。 鋰KJCo2電池在-40時的高迴圈容量：（1200 mAh g-1,130次迴圈，2500mAh g-1，>75次迴圈）和33 V放電平台（圖3E）導致研究人員嘗試使用Li KJCO2 CR2032紐扣電池為從亞馬遜購買的電子儀表供電，該電池在-40的冰箱中充電至5000 mAh g-10 V工作電壓。 充滿電的電池在 -40 下充電約 6 個月（圖 3f）。
在-80°C下，LI KJCo2細胞（置於生物冷凍室中）在1200 mAh g-1下穩定迴圈約70次迴圈，平均CE接近100%（圖4A，電流25 mA g-1 0。05 ma cm-2, c/48)。在此速率下，電池還可以以 2500 mAh g-1（圖 4b）、4000 mAh g-1（圖 4c）甚至 5000 mAh g-1 的比容量迴圈，但迴圈壽命較短。 在-80°C時，電池主充電平台為425 V，放電平台為 31 V，分別歸因於 LiCl 氧化為 Cl2 和 Cl2 還原回 LiLC（圖 4D）。 除了氧化KJCo2上的LICLs外，充電到更高的容量還會導致電解液中SOCL2氧化的增加，導致SCL2 S2Cl2的形成，特別是當充電到5000 mAh g-1時，可以觀察到充電電壓的顯著增加（圖4D）。 這也與 3 相同由於充電步驟中產生的 Scl2 減少，8 V 的高放電電壓平台具有令人印象深刻的對應關係，比容量高達 1000 mAh g-1（圖 4D）。 在 31 V 和 29 V的放電平台分別對應於Cl2和So2Cl2的還原（圖4D）。 請注意，研究人員的超低溫鋰 Cl2 電池並不以其高可充電容量（1200 至 5000 mAh g-1）而脫穎而出，但與其他低溫鋰離子電池相比，研究人員的電池在 -40 和 -80 時提供具有競爭力的絕對電流，並且在迴圈壽命和面積容量方面更勝一籌。 研究人員將電池置於-80°C的冰箱中（圖4E-G），充電至5000 mAh g-1，並為發光二極體（LED）（工作電壓）供電。0 v;圖4f顯示了-80°C時電解液的液態）。
對於 -40 個迴圈後的細胞，SEM 成像顯示 KJCo2 上形成 200-300 nm LICL，對應於捕獲的 CL2 還原為 LICL。 當從1200 mAh G-1充電到5000 mAh G-1時，沉積的LICL逐漸被去除和氧化，同時降低電池的電化學阻抗。 Cl2（2LiCl 2Li++Cl2+2E-）的形成構成主要充電容量，KJCo2中捕獲的Cl2的還原構成主放電平台，主充放電電壓為401v/3.3V平台（圖3E），在-40時，Li+1 2Cl2 LICL的整體電池反應（見圖5A中的示意圖）。 SEM顯示，如前所述，並非所有表面LICL都可以被氧化為Cl2，以便隨後的還原和細胞迴圈。 當迴圈到更高的容量（即5000 mAh g-1）時，碳電極中的LICL逐漸氧化為Cl2，而電解液中沒有LICL層的碳位點的SOC2被氧化，形成SCL2 S2Cl2和SO2Cl2（見圖3e和4d，增加充電電壓）。 雖然大部分Cl2**被困在多孔碳中，並在放電時可逆地還原為LiLC（如下面的電池充電保持實驗所示），但假設反應性更強的Scl2 S2Cl2和SO2Cl2物種難以獲得，遷移到電解液中並穿梭到鋰陽極側，導致化學氧化和腐蝕。 這種穿梭會導致陽極降解和電解質耗盡，從而阻止 100% SOCL2 再生並縮短電池迴圈壽命。
在-40迴圈後，使用非原位質譜法將電極置於真空幫浦下並對逸出的氣態材料的質量電荷（mz）進行取樣，從而檢測KJCO2陰極中捕獲的物質。 從帶電的 KJC2 電極（高達 5000 mAh G-1 或 1200 mAh G-1）中逸出的 Cl2 比從放電的 KJC2 中逸出的 Cl2 多得多（圖 5B、C）。 後者檢測到的 Cl2 要低得多，這歸因於殘留電解質中 SOCL2 的碎片。 此外，通過飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS）深度分析成像對帶電的KJC2電極（-40至5000 mAh G-1）和放電的KJC2進行3D質譜成像。 在帶電的 KJCo2 中，由於 LiLC2 和 SoCl2 的電化學氧化，檢測到少量的 LCL 和大量的 Cl2 S2Cl2 SO2Cl2 碳，以及充電時沒有 LiCl 塗層的暴露碳表面更多（圖 5D）。 這些物質在放電時減少，而 LiCl 和 SoCl2 計數增加（圖 5E），證實了 LiCl 的形成和 SoCl2 的再生。
最後，採用原位XPS分別檢測KJC2在5000 mAh G-1下充電或放電後（從電池中取出電極後數小時內）中存在的物質。 在所有帶電的KJC2中，在200 EV結合能處檢測到Cl2P光譜中的峰（圖6A，紅線），但在放電的KJC2中未檢測到峰。 200EV 峰值歸因於 KJCo2 中殘留的 Cl2 和一小部分 C-Cl，類似於最近在 Na Cl2 細胞上的發現。 隨著充電容量從 1200 mAh G-1 增加到 5000 mAh G-1，Cl2 百分比增加，而 KJCO2 上的 LICL XPS 訊號減少（圖 6A、B）。 請注意，先前報道的文獻在100K下吸附在AGCl上的分子Cl2也具有相同的200EV峰。
經過約50小時的真空抽氣後，5000 mAh G-1充電的KJCo2電極中約200 EV的峰值顯著降低（圖6C）（在此期間，質譜法檢測到電極中幾乎沒有Cl2殘留），表明Cl2仍處於帶電狀態，碳電極在真空下儲存長達約2天。 隨後，在200 EV左右留下了乙個弱峰，這歸因於電池充電過程中碳氯化形成的C-Cl。 用去離子超濾（DIUF）水洗滌除去所有殘留的LiCl、AlCl3後，C-Cl峰仍然存在，但在N2氣氛中600退火後，由於C-Cl鍵斷裂而消失。 對於帶電的 KJC2，由於 Cl 鍵合 286，在 C1S 光譜中也觀察到它峰值出現在 6EV 處。 請注意，C-Cl 可以進一步與 Cl2 相互作用，並可能導致 Cl3- 的形成，當電池充電時。