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来源：材料PLUS收集编辑：无问西东
所有的电化学能量装置(燃料电池、电池和超级电容器)都是通过分离电荷来工作的，而电解液是强制这种电荷分离的不可缺少的组件。电解液在物理上隔离两个电极，防止直接电子转移，同时允许工作离子在电池中传输电荷和质量，这样电池的反应就可以持续进行。在可充电电池中，合格的电解质不仅在绝缘电子的同时传导离子(一种被称为“电解质性质”的属性组合)，而且必须对电池反应保持惰性。电解液决定了电池反应的速度(功率密度)和电池的充放电次数(可逆性)。虽然电解液不直接决定电池的能量(而是由两个电极决定)，但它通过允许或禁止一个电极来间接地决定，这取决于它和电解液之间是否能实现电化学稳定性。为了使能量密度最大化，先进电池中的电极通常被推到极端电位下工作，在这种情况下，没有已知的电解质是热力学稳定的。在锂离子电池(LIB)等先进电池中，电解液和电极之间的稳定性(因此电池的可逆性)必须通过动力学来实现。因此，微量的电解质被牺牲分解，其固体产物沉积在电极表面，形成防止进一步分解的保护。电池中的这种保护层被称为“间相”。以这种自限制方式形成的间相几乎总是在LIB的阳极表面上被识别，在这里它被称为固体电解质间相(SEI)。当界面相发生在阴极表面时，它被称为阴极电解质界面相(CEI)，它不太确定，并且受到几个因素的复杂影响。首先，大多数过渡金属氧化物正极材料已经携带了Li2CO3的原生钝化层，该钝化层又通过纯化学途径与电池环境中的酸性电解质发生反应。其次，通过电化学途径进一步进化，最终形成CEI化学。最后，阴极材料的表面可能也参与了演化，产生了一个中间相，从而模糊了CEI开始的清晰定义。然而，电解质和相间化学是密切相关的。虽然导致界面相形成的不可逆反应主要发生在电池的初始激活周期，但由此形成的界面相将决定电池在整个使用寿命期间的功率、能量和可逆性。与经典电化学中的二维界面不同，界面相是一种独立的、具有特殊化学性质和形态的三维存在。界面相具有纳米厚度(~2 ~ 20 nm)和极高的灵敏度，一直是可充电电池中最不为人知的成分，直到最近，各种先进的表征和计算技术才被开发出来，以阐明这一关键成分。美国芝加哥大学孟颖（Y. Shirley Meng）教授、阿贡国家实验室Venkat Srinivasan教授和许康教授课题组合作以“Designing better electrolytes”为题在国际顶级期刊《Science》上发表综述文章，文章指出电解质和相关的界面相构成了支持新兴电池化学的关键成分，这些化学有望提供诱人的能量，但涉及剧烈的相和结构并发症。设计更好的电解质和界面相是这些电池成功的关键。作为与设备中所有其他组件连接的唯一组件，电解质必须同时满足多个标准。这些包括在电极之间绝缘电子的同时传输离子，并在极端化学性质的电极(强氧化的阴极和强还原的阳极)下保持稳定性。在大多数先进的电池中，两个电极在远远超过电解质热力学稳定极限的电位下工作，因此其中的稳定性必须通过电解质和电极之间牺牲反应形成的界面相在动力学上实现。祝贺！孟颖（Y. Shirley Meng），美国芝加哥大学分子工程学院教授，美国能源部阿贡国家实验室能源存储科学合作中心（ACCESS）首席科学家，加州大学圣地亚哥分校(UCSD)纳米工程系及能源技术Zable荣誉首席教授，可持续电力和能源中心(SPEC)的创始主任，以及材料设计与探索研究所(IMDD)的创始主任，美国电化学学会成员，能量储存及转化实验室(LESC)的首席研究员。迄今已在Nature, Science, Nature Energy, Nature Materials, Joule, Energy & Environmental Science, Journal of American Chemical Society等国际著名学术期刊上发表500余篇同行评议论文，两部专著章节和六项专利，获得过多项著名奖项，如英国皇家学会迈克尔·法拉第勋章，国际电池协会(IBA)电池研究奖, 美国化学会ACS应用材料和界面青年研究者奖，能量储存及创新国际联盟(ICESI)就职青年职业奖，国际材联-新加坡青年科学家奖，电化学学会C.W.Tobias青年研究者奖，巴斯夫大众电化学科学奖和美国国家科学基金会(NSF)职业奖等。值得注意的是，早在2017年，Darren H. S. Tan、ERIK A. WU、ZHENG CHEN 和Ying Shirley Meng便共同创立了一家专注于全固态电池技术的初创公司 UNIGRID Battery。锂离子电池的能量密度和可充电性依赖于界面相(图1)。由于锂离子电池中石墨阳极的电位(~ 0.01 V vs . Li)远远超出了电解质的热力学稳定窗口，以最高的已占据分子轨道(HOMOs)和最低的未占据分子轨道(LUMOs)为标志，可逆的锂化/去锂化化学依赖于界面相的保护。最先进的LIB中使用的电解质因制造商和所使用的阴极化学而异;然而，它们几乎完全遵循由溶解在碳酸酯溶剂混合物中的六氟磷酸锂(LiPF6)组成的骨架组成，这是平衡每个电池组件需求的结果，特别是低电位的石墨阳极(~0.01 V vs . Li+/Li)和高电位的过渡金属氧化物或磷酸盐阴极(~3.5至4.5 V vs . Li+/Li)。目前普遍认为LIBs中的SEI主要来源于碳酸盐溶剂和盐阴离子的还原分解。这些物种通常排列在分层结构中，最内层是更多的无机(LiF和Li2O)，外层是更多的有机(缩碳酸盐，草酸盐，醇氧化合物和聚合物)。特别有趣的是，一种特殊的溶剂碳酸乙烯(EC)对SEI化学的不平衡贡献。LIB的商业成功吸引了人们对电解质研究的浓厚兴趣和投资，这导致了界面相作为阴极和阳极材料稳定和可逆操作的关键成分的识别，远远超出了任何已知电解质的热力学稳定性极限。这些界面相通常具有纳米厚度，由电解质在自限制分解过程中形成，它们确保了快速充放电速率，最大电压和LIB的可逆性。在过去的三十年里，人们对界面相的化学、形貌和形成机制进行了深入的研究。研究人员已经了解了这种界面相是如何结构的，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相。虽然相间化学的准确预测仍然困难，而且界面相的关键基本性质，如离子在界面相间的传输速率和机制仍然未知，但离子溶剂化鞘的结构已经被确定为指导界面相形成过程的有效工具。这些知识已经推动了一系列新的电解质概念的新兴电池化学。人们正在努力开发具有高能量密度、快速充电、低成本、高可持续性以及不受高地缘政治或伦理风险元素或材料影响的电池化学物质。每种单独的化学反应可能需要一种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)过高浓度的盐被用于利用改变的离子溶剂化结构所产生的不寻常特性；(ii)聚合物和无机材料都用于固化电解质，从而可以以更高的安全性利用侵略性锂金属阳极；(iii)努力确定最有效的间相成分，以便可以设计和人工应用单一成分的间相；(iv)液化气体组分用于扩大传统电解质的低温极限；(v)通过在纳米或亚纳米环境中限制离子-溶剂化鞘来探索不寻常的电化学行为。过去十年见证了电池化学和材料研究活动的爆炸式增长，电解液的开发发挥了重要作用。这种对地球和人类文明未来至关重要的领域的重视将持续下去，并受到地缘政治和供应链风险的担忧的进一步推动。考虑到电池是由多个组件组成的系统，在不同的环境和设置中评估单个组件时经常会出现并发症。为了加强文献中电池性能数据的可重复性和可比性，强烈鼓励研究人员严格实践和标准化协议。在这个方向上已经做出了一些努力，作者认为这些是电池、化学和材料研究界应该严格遵循的不可或缺的指导方针。文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3750免责声明：本公众号致力于打造专属材料人士的平台，分享材料资讯，相关内容仅供参考学习，所有转载内容，均不代表【材料PLUS】赞同其观点，不能完全保证其真实性。如若本公众号无意侵犯媒体或个人知识产权，请联系【材料PLUS】小助手：19139706172，我们将立即予以删除。