孟颖教授&Venkat Srinivasan、许康研究员“今日Science综述”：电解质设计

通讯作者：Shirley Meng（孟颖）, Venkat Srinivasan, Kang Xu（许康）

通讯单位：美国阿贡国家实验室

芝加哥大学孟颖教授, 美国阿贡国家实验室Venkat Srinivasan研究员和许康研究员今日在Science发文对电解质的设计进行了系统性的综述。电解质和相关的中间相构成了支持电池化学反应的关键成分，这些化学反应有望提供诱人的能量，但涉及复杂的相和结构转变。设计更好的电解质和中间相是这些电池成功的关键。作为与设备中所有其他组件交互的唯一组件，电解质必须同时满足多个标准，包括传输离子的同时在电极之间绝缘电子，并保持对强反应性电极的稳定性。在大多数先进电池体系中，两个电极的工作电位远远超过电解质的热力学稳定性极限，因此必须通过电解质和电极之间的牺牲反应形成的界面来动力学地实现其中的稳定性。

【背景】

电解质是每个电化学装置中不可或缺的组成部分，包括锂离子电池 (LIB)。它避免两个电极直接发生电子转移，同时允许工作离子在电池中传输电荷和质量，从而使电池反应可持续进行。无论是为手机供电、驾驶车辆，还是从太阳能和风电工厂收集能量，这些锂离子电池中的电解质决定了设备可以充电的速度和次数，或者通过电网捕获和存储能量的效率。有时，当 LIB 因各种因素（例如过热、机械损伤或在极端充电条件下引起的内部短路）而偏离设计的电化学路径时，电解质也会导致起火爆炸等情况。电解质是电池中最独特的成分。因为它必须与所有其他组件进行物理接触，所以它必须同时满足许多限制条件，包括快速传输离子和质量、有效隔离电子以及保持对强氧化正极和强还原负极的稳定性。

【进展】

LIB的商业成功引起了人们对电解质研究的浓厚兴趣，这导致界面被确定为负责正极和负极材料稳定和可逆运行的关键组成部分。这些中间相通常具有纳米厚度，由电解质在自限分解过程中形成，它们确保快速充电和放电速率、最大电压和LIB的可逆性。在过去的三十年里，人们对界面的化学、形态和形成机制进行了深入研究。研究人员已经了解了这种中间相的结构以及它们包含哪些关键成分，最重要的是，如何使用电解质工程对其进行设计。今天，人们普遍认为设计更好的电解质还意味着为电极材料设计相关的界面。尽管相间化学的准确预测仍然很困难，并且相间的关键基本性质（例如跨相间的离子传输速率和机制）仍然未知，但离子溶剂化鞘的结构已被确定为指导中间相形成过程的有效工具。这些知识一直在推动一系列用于新兴电池化学的新电解质概念。

【展望】

人们正在努力开发具有高能量密度、快速充电、低成本、高可持续性以及不依赖于具有高地缘政治或道德风险的元素或材料的电池化学物质。每种单独的化学物质可能需要独特的电解质和相应的界面，但出现了一些普遍趋势：(i) 使用超浓缩的盐来利用改变的离子溶剂化结构所产生的异常特性；(ii) 固态聚合物和无机材料电解质可以允许更安全地利用锂金属负极；(iii)确定最有效的界面成分，以便可以设计和应用单一成分的界面；(iv) 液化气体组分用于扩展常规电解质的低温极限；(v) 通过在纳米或亚纳米环境中限制离子溶剂化鞘来探索不寻常的电化学行为。

Abstract Fig. | Electrolytes and the associated interphases play the central role in supporting diversified battery chemistries.

Fig. 1 | How electrolytes work.

Fig. 2 | The challenge of the Li⁰ anode.

Fig. 3 | Emerging conversion-reaction battery chemistries.

Fig. 4 | Interfacing solid with solid.

Fig. 5 | Solvation in nanoconfinement.

Fig. 6 | Seeing electrolyte dynamics at molecular resolution.

【文献信息】

Y. Shirley Meng, Venkat Srinivasan, Kang Xu. Designing better electrolytes. Science. 378, 1065 (2022). 

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3750