Science综述：指导电解质设计！

一、【导读】

与开发新型阴极和阳极相比，电解质的开发较少受到关注。然而，正是电解质控制着离子和电荷的流动，并且电解质是与所有其他物质紧密接触的唯一成分。随着能量密度和功率密度的提高，电解质也参与了动力学形成的界面，这些界面有助于电池的稳定性，但也会阻碍电池的运行。

二、【成果掠影】

近日，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，可以提供巨大的能量，但这些化学反应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保持绝缘，并保持对强反应性电极的稳定性，如强氧化性阴极和强还原性阳极。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在动力学上实现其中的稳定性。最后，作者强调了加强文献中电池性能数据的可重复性和可比性的重要性，强烈建议研究人员进行严格的实践和标准化的实验方案。本综述以题为“Designing better electrolytes”发表在知名期刊Science上。

三、【核心创新点】

总结了电解质的发展历程，以及当下发展遇到的挑战和已有的解决策略，最后对电解质的发展方向进行了展望。

四、【数据概览】

图1 电解质工作示意图 ©2022 AAAS

电解质必须传导离子、隔离电子、并保持稳定，同时与所有电池组件连接。当阴极和阳极在LUMO和HOMO之间包围的区域之外的电势下运行时，会出现实质性的挑战，其中必须形成界面以确保电池化学反应的可逆性。

图2 锂金属负极所面临的挑战 ©2022 AAAS

设计电解质和相关SEI以消除枝晶状和死锂的危险形态是实现可充电锂金属电池的关键。

图3 新兴的转换电池化学反应 ©2022 AAAS

氟化铁（顶部）和硫（底部）都依赖于剧烈的结构破坏和结构重组来提供高容量和能量密度，但其可逆性遇到了严重的困难，因为几乎不可能完全恢复原始结构。

图4 电池界面的问题 ©2022 AAAS

全固态电池中的固体材料界面与活性阳极/阴极材料和SE的固体-固体接触点同时面临挑战和机遇，因为界面反应只能发生在这些接触点。

图5 纳米约束下的溶剂化 ©2022 AAAS

当宿主环境在尺寸上变得与离子溶剂化鞘相当时，宿主与离子或其溶剂组成之间的强制相互作用不可避免，这导致离子的部分或完全去溶剂化，并产生一系列不寻常的性质。

图6 在分子分辨率下观察电解质动力学 ©2022 AAAS

通过计算模拟和建模辅助下，先进的原位和原位/实时表征为电解质及其界面相的理解和发现带来了新的前景。

五、【成果启示】

电解质是电池中最独特的成分，它必须与所有其他组件进行物理接触，同时满足许多约束条件，包括快速传输离子和物质，有效地绝缘电子，以及较好的稳定性。目前研究人员对相间的化学反应、形态和形成机制进行了深入研究。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（例如离子跨相传输的速率和机理）仍然未知，但离子溶剂化鞘结构被认为是指导界面形成过程的有效工具。最后，为了加强文献中电池性能数据的再现性和可比性，作者强烈建议研究人员进行严格的实践和标准化方案，这也是是电池、化学反应和材料研究界应该严格遵守的不可或缺的准则。

原文详情：Designing better electrolytes (Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abq3750)