应化所明军等Adv. Sci.：钠离子电池电解液溶剂化结构的设计

钠离子电池（SIBs）由于钠储量丰富，被认为是后锂时代最有前景的电池技术。在过去的20年里，为SIB探索新型电解液一般都是依靠”固体电解质界面相（SEI）”理论来优化电解液成分。然而，许多观察到的现象不能用SEI理论完全解释。因此，电解液溶剂化结构和电极-电解质界面行为最近得到了巨大的研究兴趣，以解释性能的提高。

阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef、中科院长春应化所明军等对SIBs进行了系统的总结，其中阐明了具体的溶剂化结构设计准则及其对电化学性能的影响，详细讨论了溶剂化结构形成的关键驱动力，以及调整SIB溶剂化结构的最新进展。相信该综述可以为高性能SIB甚至其他新兴电池系统的电解液优化策略提供新的见解。

图1. SIB电解液的主要发展和成果及溶剂化设计问题的方案

近年来，调节电解液以控制溶剂化行为一直处于电解液工程的前沿。即使是很小的电解液成分相互作用也会导致完全不同的电化学性能。在这方面，电解液改性可以成为优化电池性能的有效策略。

然而，仍有一些长期存在的挑战阻碍了溶剂化理论的发展。一是表征方法不足。目前，仍缺乏适当的方法来直接研究溶剂化行为。传统的NMR、拉曼、FTIR光谱表征只能得到电解液体相信息；事实上，局部的电解液特性，例如局部配位环境和界面离子排列，很难破译。二是缺乏理论模型。不可否认，目前的求解和界面模型过于简单。

例如，之前讨论的溶剂化结构不涉及阴离子的溶剂化作用，并且仅考虑了忽略二阶和更高阶溶剂化壳的第一溶剂化壳。但是，实际电解液中的情况比第一溶剂化壳要复杂得多。此外，现有的界面模型忽略了界面处的双电层和浓度梯度等几个重要变量。

图2. 常见钠盐的化学和物理性质

因此，作者提出了一些有前景的解决方案来解决当前电解液溶剂化理论的艰巨任务：

1）多尺度表征方法。据作者所知，溶剂化过程和脱溶剂化过程都是动态发展的。结合时间尺度，可以解析动态去溶剂化过程。例如，超快电子衍射技术和超快时间分辨X射线衍射技术，迄今为止还没有在电池领域得到应用。此外，结合空间尺度，可以真正看到阳离子的详细界面行为。例如，低温透射电子显微镜技术可以在不破坏电极-电解质界面的情况下实现瞬态界面信息的捕获。因此，结合时间和空间尺度表征，以及光谱分析，将有助于深入理解溶剂化理论。

2）机器学习和人工智能。机器学习、人工智能等尖端计算机技术，使我们能够模拟电解液中数千个分子的溶剂化行为，从而分析趋势和总结规律。此外，机器学习技术可能会筛选出优化的阴离子、溶剂和添加剂，以设计出最兼容的电解质体系。

图3. SIB电解液中阳离子溶剂化结构的模型

Electrolyte Solvation Structure Design for Sodium Ion Batteries. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202201207

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