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

在此，美國芝加哥大學(xué)孟穎（Y. Shirley Meng）教授，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Venkat Srinivasan教授和許康教授總結(jié)了電解質(zhì)發(fā)展的“前世今生”，以及當(dāng)下發(fā)展遇到的挑戰(zhàn)和已有的解決策略。同時(shí)，作為電池中流淌的“血液”，作者強(qiáng)調(diào)了不僅要聚焦電解質(zhì)中離子的體相傳輸，還是更多關(guān)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(zhì)上絕緣的材料組成的界面？（ii）如何精確測量界面內(nèi)的電子和離子電導(dǎo)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(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)文獻(xiàn)中電池性能數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和可比性的重要性，強(qiáng)烈建議研究人員進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。相關(guān)綜述論文以“Designing better electrolytes”為題發(fā)表在Science上。

孟穎/許康，今日重磅Science！

背景研究

電解質(zhì)是每個(gè)電化學(xué)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(gè)電極與直接電子轉(zhuǎn)移隔離開來，同時(shí)允許工作離子在電池中傳輸電荷和質(zhì)量，以便電池反應(yīng)可以可持續(xù)地進(jìn)行。

無論是為手機(jī)供電，駕駛車輛，還是從太陽能和風(fēng)力發(fā)電場收集間歇性能量，這些LIB中的電解質(zhì)決定了設(shè)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(chǔ)的效率。有時(shí)，當(dāng)LIB被各種因素（例如過熱，機(jī)械損壞或在極端充電條件下引起的內(nèi)部短路）推離設(shè)計(jì)的電化學(xué)路徑時(shí)，電解質(zhì)也是我們在新聞中讀到的火災(zāi)和爆炸事故的原因。

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

研究進(jìn)展

LIB的商業(yè)化成功引起了人們對(duì)電解質(zhì)研究的濃厚興趣和投資，使得將界面確定為電池的關(guān)鍵成分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何已知電解質(zhì)的熱力學(xué)穩(wěn)定性極限。這些通常具有納米厚度的界面由電解質(zhì)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(duì)相間的化學(xué)，形態(tài)和形成機(jī)制進(jìn)行了深入研究。研究人員已經(jīng)了解了這些界面是如何構(gòu)建的，它們包含哪些關(guān)鍵成分，最重要的是，如何使用電解質(zhì)工程來定制它們。今天，人們普遍認(rèn)為，設(shè)計(jì)更好的電解質(zhì)也意味著為電極材料設(shè)計(jì)相關(guān)的界面。盡管相間化學(xué)的準(zhǔn)確預(yù)測仍然很困難，并且相間的關(guān)鍵基本性質(zhì)（例如離子跨相傳輸?shù)乃俾屎蜋C(jī)理）仍然未知，但離子溶劑化鞘的結(jié)構(gòu)已被確定為指導(dǎo)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(xué)物質(zhì)，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(dú)立于高地緣政治或道德風(fēng)險(xiǎn)的元素或材料。每種單獨(dú)的化學(xué)反應(yīng)可能需要獨(dú)特的電解質(zhì)和相應(yīng)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(jié)構(gòu)引起的不尋常特性;（ii）聚合物和無機(jī)材料都用于固化電解質(zhì)，以便以更高的安全性利用具有腐蝕性的鋰金屬負(fù)極;（iii）努力確定最有效的相間成分，以便可以設(shè)計(jì)和應(yīng)用的單一組合物的中間相;（iv）液化氣體組分用于擴(kuò)大常規(guī)電解質(zhì)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(xué)行為。