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與開發(fā)新的正極和負極材料相比，人們對電解質開發(fā)的關注較少。然而，它是控制離子和電荷流動的關鍵，并且它是與所有其他物質親密接觸的唯一成分。隨著對更高能量和功率密度的推動，電解質還參與動態(tài)形成的中間相，有助于電池的穩(wěn)定性，但這也會阻礙電池循環(huán)。

在此，美國芝加哥大學孟穎（Y. Shirley Meng）教授，阿貢國家實驗室Venkat Srinivasan教授和許康教授總結了電解質發(fā)展的“前世今生”，以及當下發(fā)展遇到的挑戰(zhàn)和已有的解決策略。同時，作為電池中流淌的“血液”，作者強調了不僅要聚焦電解質中離子的體相傳輸，還是更多關注其與電極之間的界面問題，其中包括至今仍未解決的問題，例如：（i）離子究竟如何穿過由本質上絕緣的材料組成的界面？（ii）如何精確測量界面內的電子和離子電導率？（iii）哪些組成部分最有效，哪些組成部分是不必要的和多余的？

此外，作者強調了加強文獻中電池性能數(shù)據(jù)的可重復性和可比性的重要性，強烈建議研究人員進行嚴格的實踐和標準化協(xié)議。相關綜述論文以“Designing better electrolytes”為題發(fā)表在Science上。

背景研究

電解質是每個電化學器件中不可或缺的組件，包括鋰離子電池（LIBs），它在物理上將兩個電極與直接電子轉移隔離開來，同時允許工作離子在電池中傳輸電荷和質量，以便電池反應可以可持續(xù)地進行。

無論是為手機供電，駕駛車輛，還是從太陽能和風力發(fā)電場收集間歇性能量，這些LIB中的電解質決定了設備可以充電的速度和次數(shù)，或者能量在電網(wǎng)上捕獲和存儲的效率。有時，當LIB被各種因素（例如過熱，機械損壞或在極端充電條件下引起的內部短路）推離設計的電化學路徑時，電解質也是我們在新聞中讀到的火災和爆炸事故的原因。

電解質是電池中最獨特的成分，它必須與所有其他組件進行物理接觸，同時滿足許多約束，包括快速傳輸離子和質量，有效地絕緣電子，以及保持對強氧化陰極和強還原陽極的穩(wěn)定性。從歷史上看，電解質-陽極界面研究是完成現(xiàn)代LIB化學的最后一塊拼圖。

研究進展

LIB的商業(yè)化成功引起了人們對電解質研究的濃厚興趣和投資，使得將界面確定為電池的關鍵成分，遠遠超過任何已知電解質的熱力學穩(wěn)定性極限。這些通常具有納米厚度的界面由電解質在分解過程中形成，它們確保了快速的充電和放電速率，最大電壓和LIB的可逆性。

在過去的三十年中，對相間的化學，形態(tài)和形成機制進行了深入研究。研究人員已經(jīng)了解了這些界面是如何構建的，它們包含哪些關鍵成分，最重要的是，如何使用電解質工程來定制它們。今天，人們普遍認為，設計更好的電解質也意味著為電極材料設計相關的界面。盡管相間化學的準確預測仍然很困難，并且相間的關鍵基本性質（例如離子跨相傳輸?shù)乃俾屎蜋C理）仍然未知，但離子溶劑化鞘的結構已被確定為指導界面形成過程的有效工具。

展望未來

人們正在努力開發(fā)電池化學物質，從而保證高能量密度，快速充電，低成本，高可持續(xù)性，并且獨立于高地緣政治或道德風險的元素或材料。每種單獨的化學反應可能需要獨特的電解質和相應的界面相，但出現(xiàn)了一些普遍的趨勢：（i）超濃度的鹽被用來利用由改變的離子溶劑化結構引起的不尋常特性;（ii）聚合物和無機材料都用于固化電解質，以便以更高的安全性利用具有腐蝕性的鋰金屬負極;（iii）努力確定最有效的相間成分，以便可以設計和應用的單一組合物的中間相;（iv）液化氣體組分用于擴大常規(guī)電解質的低溫極限;（v）通過將離子溶劑化鞘限制在納米或亞納米環(huán)境中來探索不尋常的電化學行為。