【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電解液在電池、電容器、電催化等能量存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用。電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)決定了電解液的物理化學(xué)性質(zhì)以及化學(xué)/電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)過程，是電解液設(shè)計的關(guān)鍵研究對象。在電池研究領(lǐng)域中，目前已經(jīng)設(shè)計出多種具有特殊溶劑化結(jié)構(gòu)的電解液體系，實現(xiàn)了電池的快反應(yīng)速率、長循環(huán)穩(wěn)定等功能，但關(guān)于電解液的理論研究卻停滯不前，導(dǎo)致目前電解液主要依賴“試錯法”或經(jīng)驗性嘗試，具有開發(fā)周期長、成本高等缺點，限制了高性能電解液的合理設(shè)計和實際應(yīng)用。因此，建立統(tǒng)一的理論指導(dǎo)電解液的設(shè)計，是推動電解液研究發(fā)展的關(guān)鍵。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)炭材料研究部在前期設(shè)計出高性能電解液的基礎(chǔ)上(J. Am. Chem. Soc. 2024，146,7332)深入總結(jié)，基于電解液是熱力學(xué)平衡體系這一認(rèn)知，首次建立了電解液的熱力學(xué)競爭平衡理論(圖1)，闡明了電解液溶劑化結(jié)構(gòu)設(shè)計與演變遵循的熱力學(xué)本質(zhì)與能量判據(jù)：溶劑化結(jié)構(gòu)中氧配位鍵能量與離子鍵能量的競爭決定溶劑化結(jié)構(gòu)演變的方向，電解液中焓變與熵變的競爭實現(xiàn)了溶劑化結(jié)構(gòu)的新平衡。根據(jù)上述兩種熱力學(xué)競爭平衡關(guān)系，可以很好地描述溶質(zhì)的溶解/解離過程以及電解液溶劑化結(jié)構(gòu)的形成和演變過程。同時，該熱力學(xué)競爭平衡理論能夠統(tǒng)一解釋近年來發(fā)展的高濃度電解液、局域高濃度電解液、弱溶劑化電解液、陰離子配位電解液和高熵電解液等多種先進(jìn)電解液體系的熱力學(xué)本質(zhì)(圖2)。這一研究成果彌補(bǔ)了當(dāng)前電解液研究缺乏理論基礎(chǔ)的空白，為電解液溶劑化結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了新思路與新方法，可加速推動電解液研究領(lǐng)域的發(fā)展。
該研究成果以“Designing electrolytes by thermodynamics”為題在《National Science Review》上發(fā)表。金屬所博士生王耀祖為論文第一作者，楊慧聰副研究員、李峰研究員和成會明院士為論文的通訊作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的支持。
該工作發(fā)表后受到關(guān)注，編輯部邀請了廈門大學(xué)孫世剛院士對工作做出了評價(National Science Review,2025; nwaf134)，認(rèn)為該研究是電解液理論探索方面取得顯著的進(jìn)步?；诳申U明的物理和化學(xué)行為，提出的熱力學(xué)競爭平衡理論指明了更先進(jìn)功能電解液設(shè)計的方向和方法，突破了人工智能預(yù)測電解液性質(zhì)時不可解釋的局限性。最后，孫世剛院士指出該熱力學(xué)競爭平衡理論的未來發(fā)展方向應(yīng)逐步由平衡態(tài)熱力學(xué)理論拓展至非平衡態(tài)熱力學(xué)理論，更接近電池真實使用場景下實現(xiàn)電解液設(shè)計。
圖1. 溶劑化結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)競爭平衡示意圖
圖2. 基于熱力學(xué)競爭平衡理論的不同電解液設(shè)計策略
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