周豪慎/乔羽AM：通过构建电极正面定制阳离子的溶剂化鞘层

阳离子（如Li⁺、Na⁺、Zn²⁺）溶剂化鞘层内的溶剂分子很容易脱氢，尤其是与高压正极结合时，这会导致有害的电解质分解，最终加速可充电池的容量衰减。盐和阳离子之间经常采用溶剂化策略来提高电解质的稳定性。然而，在制备高浓度电解液时添加额外剂量的昂贵盐、添加剂/共溶剂所带来的成本挑战，在一定程度上阻碍了它们的进一步利用。在电极表面引入基于多孔材料的电极正面，即使是在稀电解液中，也可以将高能态脱溶剂化溶剂从反应性电极转移到非导电多孔材料表面，从而消除脱溶剂化溶剂和电极材料之间的接触机会，并大大减少与溶剂相关的分解问题。

日本产业技术综合研究所周豪慎教授、乔羽博士等简要回顾了通过构建可充电池的各种电极正面来定制阳离子（溶剂化金属离子：例如溶剂化Li⁺、Zn²⁺）的溶剂化鞘的研究进展。首先，展示了关于引入电极正面的重要性以及如何使用电极正面促进溶剂化阳离子的脱溶剂化过程的机制。然后，仔细筛选和选择几种多孔材料和电解液，以实施脱溶剂化过程，并生产用于可充二次电池的脱溶剂化电解液（部分脱溶剂化和完全脱溶剂化电解液）。最后，详细讨论了通过构建电极正面来定制阳离子溶剂化鞘的的未来挑战和机遇。

图1. 通过构建二次电池电极正面定制电解液溶剂化鞘层的意义

由于这是一个非常有趣但尚未完全开发的研究领域，因此可以做出更多的研究努力。最后，根据过去在该领域的经验，作者认为需要加强以下几个方面：

（1）承认该领域已经获得了一定的进展，但是，这种新报道策略的利用仅用于锂金属电池和锌金属电池。因此，其他电池系统包括钠金属电池/钠离子电池、铝金属电池/铝离子电池、钾金属电池/钾离子电池、镁金属电池/镁离子电池和钙金属电池/钙离子电池同样是使用电解液脱溶剂化策略有希望的候选者。

图2. 使用电极正面促进溶剂化阳离子脱溶剂化过程的机制

（2）从方法学的角度来看，由于大多数报道的电极正面由多孔材料和聚合物粘结剂组成，多孔材料颗粒之间的间隙是不可避免的。这些差距可能会在一定程度上破坏脱溶剂化电解液引起的积极影响。因此，为充分利用脱溶剂化电解液，用于调节脱溶剂化电解液的电极正面应具有良好的韧性和柔性，同时具有良好的抗裂性。用MOFs/COFs的前驱体均匀涂覆基材，并使用各种方法，如原位微波合成法、原位气相合成法、光聚合、电聚合法有望制备具有优异韧性和柔性的MOFs/COFs基电极正面。

图3. 在有机碳酸酯电解液中使用3Å分子筛基电极正面获得部分脱溶剂化

（3）各种电极正面通道内的脱溶剂化电解液的量对于构建高能量密度电池很重要。考虑到由电极正面通道内获得的聚集电解液配置引起的电化学性能增强，限制在通道内的脱溶剂化电解液越少，相应电池可以提供的能量密度越高。

（4）最后，不限于MOFs，其他多孔材料，如COFs、多孔聚合物、分子筛，甚至多孔液体，在促进各种电池系统的脱溶剂化电解液方面也显示出令人鼓舞的前景。此外，考虑到这些材料的复杂理化性质，受限的脱溶剂化电解液与电极正面通道壁之间的相互作用，以及离子如何通过通道传导需要进一步研究。

图4. 通过使用3Å分子筛基电极正面实现的积极的效果

Tailoring the solvation sheath of cations by constructing electrode front-faces for rechargeable batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202201339

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