本研究深入探討了電池中液態(tài)電解質的微結構特性，盡管其化學組成復雜且具有原子級別的溶劑化結構，但通常被視為宏觀均勻的離子傳輸介質。研究團隊揭示了一種獨特的類膠束結構，存在于局部高濃度電解質中，其中溶劑在不溶性鹽和稀釋劑之間充當表面活性劑的角色。溶劑與稀釋劑的混溶性以及鹽的同時溶解性導致了具有模糊界面的類膠束結構，并在鹽-溶劑簇的中心增加了鹽的濃度，從而擴展了鹽的溶解度。

這些相互交織的混溶性效應具有溫度依賴性，典型的局部高濃度電解質在室溫附近達到局部鹽濃度的峰值，并可在鋰金屬陽極上形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質界面。這些發(fā)現(xiàn)為預測穩(wěn)定的三元相圖提供了指導，并同時解決了電解質微結構、電解質配方以及固態(tài)電解質界面三方面的問題，從而提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1 對LHCE的傳統(tǒng)理解、LHCE的類膠束結構以及真實的膠束電解質示意圖

圖2 LiFSI鹽、DME溶劑和TFEO稀釋劑的三元相圖，以及通過分子動力學模擬得到的HCE和LCE的結構

圖3 不同體系的拉曼光譜和分子動力學模擬

圖4 不同溫度下LHCE和HCE的拉曼光譜和分子動力學模擬

圖5 不同形成溫度下LHCE基電池的電化學性能，以及相應的SEI組分和形貌

圖6 LHCE中類膠束結構的特征以及合理的LHCE設計

1. 研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化電解質的成分比例和外部參數(shù)（如溫度），可以直接影響固態(tài)電解質界面（SEI）的設計和電池的優(yōu)化。

2. 利用拉曼光譜、小角和廣角X射線散射（SAXS-WAXS）以及分子動力學（MD）模擬驗證了LHCE中的類膠束結構。

3. 通過調整LHCE中稀釋劑的濃度，可以在宏觀屬性（如粘度和離子導電率）和微觀屬性（如鹽-溶劑簇的大小和連接）之間取得平衡。

4. 研究提出了一個基于鹽-溶劑溶解度和溶劑-稀釋劑混溶性的LHCE設計三元相圖，為高性能LHCE提供了指導。

1. 分子動力學（MD）模擬：

2. 密度泛函理論（DFT）計算：

?DFT計算使用Gaussian 09軟件包進行，這是一種廣泛用于量子化學計算的工具。

?計算采用了雙雜化泛函M06-2X和基組6-31+G**，同時引入了D3色散校正來考慮分子間的范德華力。

?為了模擬溶劑環(huán)境，使用了隱式SMD模型，設置了7.2的介電常數(shù)。

?DFT計算主要用于計算電解質的還原和氧化電位，以及分析電解質界面的形成。

本研究通過分子動力學模擬和實驗驗證，揭示了液態(tài)電解質中類膠束結構的存在，并展示了如何通過調整電解質配方和操作參數(shù)來優(yōu)化這種結構，從而提高電池性能。研究結果為設計更高效、更穩(wěn)定的電池電解質提供了重要的理論和實踐指導。