Sodium-based dual-ion batteries (Na-DIBs) show a promising potential for large-scale energy storage applications due to the merits of environmental friendliness and low cost. However, Na-DIBs are generally subject to poor rate capability and cycling stability for the lack of suitable anodes to accommodate large Na

Dual‐ion batteries (DIBs) present great application potential in low‐temperature energy storage scenarios due to their unique dual‐ion working mechanism. However, at low temperatures, the insufficient electrochemical oxidation stability of electrolytes and depressed interfacial compatibility impair the DIB performance. Here, we design a variant‐localized high‐concentration solvation structure for universal low‐temperature electrolytes (ν‐LHCE) without the phase separation via introducing an extremely weak‐solvating solvent with low energy levels. The unique solvation structure gives the ν‐LHCE enhanced electrochemical oxidation stability. Meanwhile, the extremely weak‐solvating solvent can competitively participate in the Li+‐solvated coordination, which improves the Li+ transfer kinetics and boosts the formation of robust interphases.Thus, the ν‐LHCE electrolyte not only has a good high‐voltage stability of >5.5 V and proper Li+ transference number of 0.51 but also shows high ionic conductivities of 1 mS/cm at low temperatures. Consequently, the ν‐LHCE electrolyte enables different types of batteries to achieve excellent long‐term cycling stability and good rate capability at both room and low temperatures. Especially, the capacity retentions of the DIB are 77.7% and 51.6 %, at ‐40 oC and ‐60 oC, respectively, indicating great potential for low‐ and temperature energy storage applications, such as polar exploration,emergency communication equipment, and energy storage station in cold regions.

Abstract Dual‐ion batteries (DIBs) present great application potential in low‐temperature energy storage scenarios due to their unique dual‐ion working mechanism. However, at low temperatures, the insufficient electrochemical oxidation stability of electrolytes and depressed interfacial compatibility impair the DIB performance. Here, we design a variant‐localized high‐concentration solvation structure for universal low‐temperature electrolytes ( ν ‐LHCE) without the phase separation via introducing an extremely weak‐solvating solvent with low energy levels. The unique solvation structure gives the ν ‐LHCE enhanced electrochemical oxidation stability. Meanwhile, the extremely weak‐solvating solvent can competitively participate in the Li + ‐solvated coordination, which improves the Li + transfer kinetics and boosts the formation of robust interphases. Thus, the ν ‐LHCE electrolyte not only has a good high‐voltage stability of >5.5 V and proper Li + transference number of 0.51 but also shows high ionic conductivities of 1 mS/cm at low temperatures. Consequently, the ν ‐LHCE electrolyte enables different types of batteries to achieve excellent long‐term cycling stability and good rate capability at both room and low temperatures. Especially, the capacity retentions of the DIB are 77.7 % and 51.6 %, at −40 °C and −60 °C, respectively, indicating great potential for low‐temperature energy storage applications, such as polar exploration, emergency communication equipment, and energy storage station in cold regions.

Abstract Interfacial chemistry plays a crucial role in determining the electrochemical properties of low‐temperature rechargeable batteries. Although existing interface engineering has significantly improved the capacity of rechargeable batteries operating at low temperatures, challenges such as sharp voltage drops and poor high‐rate discharge capabilities continue to limit their applications in extreme environments. In this study, an energy‐level‐adaptive design strategy for electrolytes to regulate interfacial chemistry in low‐temperature Li||graphite dual‐ion batteries (DIBs) is proposed. This strategy enables the construction of robust interphases with superior ion‐transfer kinetics. On the graphite cathode, the design endues the cathode interface with solvent/anion‐coupled interfacial chemistry, which yields an nitrogen/phosphor/sulfur/fluorin (N/P/S/F)‐containing organic‐rich interphase to boost anion‐transfer kinetics and maintains excellent interfacial stability. On the Li metal anode, the anion‐derived interfacial chemistry promotes the formation of an inorganic‐dominant LiF‐rich interphase, which effectively suppresses Li dendrite growth and improves the Li plating/stripping kinetics at low temperatures. Consequently, the DIBs can operate within a wide temperature range, spanning from −40 to 45 °C. At −40 °C, the DIB exhibits exceptional performance, delivering 97.4% of its room‐temperature capacity at 1 C and displaying an extraordinarily high‐rate discharge capability with 62.3% capacity retention at 10 C. This study demonstrates a feasible strategy for the development of high‐power and low‐temperature rechargeable batteries.