Angew：探究用于鋰電池的液態(tài)電解質(zhì)粘度的起源
黏度是與離子傳輸和電解液潤濕性相關(guān)的極其重要的性質(zhì)。獲取黏度值和深入理解這一性質(zhì)仍然是一個具有挑戰(zhàn)性但至關(guān)重要的過程，這有助于評估電解液性能并針對具有目標(biāo)性質(zhì)的電解質(zhì)配方進(jìn)行改進(jìn)。
這里，清華大學(xué)張強教授等人提出了一種被稱為屏蔽重疊法的方法，通過分子動力學(xué)模擬來高效地計算鋰電池電解液的黏度。作者進(jìn)一步全面探討了電解液黏度的起源。溶劑的黏度與分子之間的結(jié)合能呈正相關(guān)，這表明黏度與分子間相互作用直接相關(guān)。電解質(zhì)中的鹽會隨著濃度的增加顯著增大黏度，而稀釋劑則起到降低黏度的作用，這是由于陽離子-陰離子和陽離子-溶劑結(jié)合強度的變化引起的。?這項工作開發(fā)了一種準(zhǔn)確、高效的計算電解液黏度的方法，并深入了解了分子水平的黏度，具有加速下一代可充電電池先進(jìn)電解質(zhì)設(shè)計的巨大潛力。
圖1 粘度（η）的計算方法以及純?nèi)軇┑恼扯群徒Y(jié)合能（Eb）的總結(jié)。
圖2 鋰氟磺酰亞胺/碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯電解液的溶解結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性質(zhì)
圖3 DMC/LiFSI電解液不同鹽濃度下的MD快照、黏度、擴散系數(shù)和溶劑化結(jié)構(gòu)統(tǒng)計
本研究開發(fā)了一種有效可靠的方法——SOM 來計算電解質(zhì)粘度，通過分子動力學(xué)模擬計算的粘度值相對誤差小于±5%，適用于大多數(shù)溶劑。作者進(jìn)一步系統(tǒng)地探索了粘度分子起源，發(fā)現(xiàn)純?nèi)軇┖投軇┗旌衔锏恼扯扰c溶劑分子間的結(jié)合能呈指數(shù)關(guān)系，這表明了分子間相互作用與粘度的內(nèi)在相關(guān)性。
此外，溶劑混合物的粘度不遵循單個溶劑粘度的線性疊加，這也歸因于分子間相互作用的變化。鹽會增加電解質(zhì)粘度，不僅因為陽離子和陰離子之間的結(jié)合比溶劑分子間的結(jié)合更強，而且還因為陽離子和溶劑之間有額外的結(jié)合。這些相互作用隨著鹽濃度的增加而逐漸增強。低粘度的稀釋劑通過減弱電解質(zhì)成分之間的總體結(jié)合強度，有助于緩解濃電解質(zhì)的高粘度，降低粘度和加快離子傳輸。
總之，本研究提出的計算方法為獲取電解質(zhì)粘度提供了有效途徑，并有助于揭示分子間相互作用和粘度之間的潛在相關(guān)性。結(jié)合對粘度的深入了解，該方法有望加速設(shè)計高性能電池分子和電解質(zhì)配方。
Nan Yao,? Legeng Yu,? Zhong-Heng Fu,? Xin Shen,? Ting-Zheng Hou,? Xinyan Liu,? Yu-Chen Gao,? Rui Zhang,? Chen-Zi Zhao,? Xiang Chen,? Qiang Zhang. Probing the Origin of Viscosity of Liquid Electrolytes for Lithium Batteries Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202305331.
Angew：用于可充電鋰電池的低溫電解質(zhì)的40年發(fā)展歷程
可充電鋰電池是我們電氣化社會中最適合的能量儲存系統(tǒng)之一，因為幾乎所有便攜式電子設(shè)備和電動汽車現(xiàn)在都依賴于其中存儲的化學(xué)能量。然而，在零下攝氏度下運行，特別是低于-20℃，仍然是鋰電池面臨的巨大挑戰(zhàn)，極大地限制了它們在極端環(huán)境中的應(yīng)用。慢速Li+擴散和電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)已被確定為低溫條件下RLB性能差的兩個主要原因，兩者都與控制體積和界面離子傳輸?shù)囊簯B(tài)電解質(zhì)密切相關(guān)。
清華大學(xué)張強教授等首先從電解質(zhì)的角度分析可充電鋰電池（RLBs）的低溫動力學(xué)行為和失效機制。作者接下來追溯了過去40年（1983-2022）低溫電解質(zhì)的歷史，隨后對研究進(jìn)展進(jìn)行了全面的總結(jié)，并介紹了揭示其潛在機制的最新表征和計算方法。最后，作者提供了一些關(guān)于未來低溫電解質(zhì)研究的展望，特別強調(diào)機制分析和實際應(yīng)用。
商用高能密度富有韌性的可充電鋰電池（RLB）在冰點下的可靠運行仍然具有挑戰(zhàn)性但有著很大的前途。電解液極大地影響著鋰電池的低溫性能。通過高端表征、可靠模擬和設(shè)備級別的電化學(xué)測量，低溫電解液方面不斷深入的工程和科學(xué)理解是可預(yù)測的，這可能會在工業(yè)規(guī)模下帶來一些重大突破。我們可以樂觀地期待，在不久的將來，商用RLB在0至-40°C的溫度范圍內(nèi)可以保留相當(dāng)?shù)娜萘浚妱榆囋谒袣夂驐l件下的里程焦慮。
在可預(yù)見的未來，鋰電池有望在-80°C以下進(jìn)一步發(fā)揮作用。屆時，它們將成為可靠的太空探索電源。
Zeheng Li,? Yuxing Yao,? Shuo Sun,? Chengbin Jin,? Nan Yao,? Chong Yan,? Qiang Zhang. 40 Years of Low-Temperature Electrolytes for Rechargeable Lithium Batteries Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303888.
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