重磅！孟颖/许康，今日Science！

与开发新的正极和负极材料相比，人们对电解质开发的关注较少。然而，它是控制离子和电荷流动的关键，并且它是与所有其他物质亲密接触的唯一成分。随着对更高能量和功率密度的推动，电解质还参与动态形成的中间相，有助于电池的稳定性，但这也会阻碍电池循环。

在此，美国芝加哥大学孟颖（Y. Shirley Meng）教授，阿贡国家实验室Venkat Srinivasan教授和许康教授总结了电解质发展的“前世今生”，以及当下发展遇到的挑战和已有的解决策略。同时，作为电池中流淌的“血液”，作者强调了不仅要聚焦电解质中离子的体相传输，还是更多关注其与电极之间的界面问题，其中包括至今仍未解决的问题，例如：（i）离子究竟如何穿过由本质上绝缘的材料组成的界面？（ii）如何精确测量界面内的电子和离子电导率？（iii）哪些组成部分最有效，哪些组成部分是不必要的和多余的？

此外，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协议。相关综述论文以“Designing better electrolytes”为题发表在Science上。

背景研究

电解质是每个电化学器件中不可或缺的组件，包括锂离子电池（LIBs），它在物理上将两个电极与直接电子转移隔离开来，同时允许工作离子在电池中传输电荷和质量，以便电池反应可以可持续地进行。

无论是为手机供电，驾驶车辆，还是从太阳能和风力发电场收集间歇性能量，这些LIB中的电解质决定了设备可以充电的速度和次数，或者能量在电网上捕获和存储的效率。有时，当LIB被各种因素（例如过热，机械损坏或在极端充电条件下引起的内部短路）推离设计的电化学路径时，电解质也是我们在新闻中读到的火灾和爆炸事故的原因。

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，包括快速传输离子和质量，有效地绝缘电子，以及保持对强氧化阴极和强还原阳极的稳定性。从历史上看，电解质-阳极界面研究是完成现代LIB化学的最后一块拼图。

研究进展

LIB的商业化成功引起了人们对电解质研究的浓厚兴趣和投资，使得将界面确定为电池的关键成分，远远超过任何已知电解质的热力学稳定性极限。这些通常具有纳米厚度的界面由电解质在分解过程中形成，它们确保了快速的充电和放电速率，最大电压和LIB的可逆性。

在过去的三十年中，对相间的化学，形态和形成机制进行了深入研究。研究人员已经了解了这些界面是如何构建的，它们包含哪些关键成分，最重要的是，如何使用电解质工程来定制它们。今天，人们普遍认为，设计更好的电解质也意味着为电极材料设计相关的界面。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，但离子溶剂化鞘的结构已被确定为指导界面形成过程的有效工具。

展望未来

人们正在努力开发电池化学物质，从而保证高能量密度，快速充电，低成本，高可持续性，并且独立于高地缘政治或道德风险的元素或材料。每种单独的化学反应可能需要独特的电解质和相应的界面相，但出现了一些普遍的趋势：（i）超浓度的盐被用来利用由改变的离子溶剂化结构引起的不寻常特性;（ii）聚合物和无机材料都用于固化电解质，以便以更高的安全性利用具有腐蚀性的锂金属负极;（iii）努力确定最有效的相间成分，以便可以设计和应用的单一组合物的中间相;（iv）液化气体组分用于扩大常规电解质的低温极限;（v）通过将离子溶剂化鞘限制在纳米或亚纳米环境中来探索不寻常的电化学行为。