近日，《Nature》期刊邀请前沿交叉院闫崇副教授和黄佳琦教授在News&Views专栏发表《Tiny sheaths of solvent boost battery performance》（微型溶剂化结构提升电池性能）为题的评述，阐述新型溶剂化结构给锂电池快充和低温带来的新机会。

充电时间长和低温性能差是进一步限制锂电池高质量发展的两个关键问题。研发新型电解液是解决上述问题最有效的解决方案之一，这是因为电解液充当着电池的“血液”，使锂离子在电极间流动。本文评述了浙江大学范修林教授同期上线的新研究工作，该团队使用实验和计算模型来确定了一种微型溶剂化结构的电解液（锂盐溶解在具有微型体积的氟乙腈中，FAN），当作者测试这种电解液时，25°C下具有40.3 mS/cm的超高离子电导率。即使是在−70°C下保持了11.9 mS/cm的离子电导率，这比在相同温度下使用传统电解液（碳酸乙烯酯基）获得的电导率高出10000多倍。 采用小体积溶剂分子组成的电解液极大地提高了电解液中的离子迁移速率，助力电池实现极速快充（6C）和低至−80°C的温度下令人印象深刻的电池性能。

图1. 电池电解液中的离子传输机制

经典理论认为锂离子在电解液中存在两种主要传输机制。a 车辆运输，离子在移动时携带一层溶剂分子，较大的溶剂分子阻碍运输。b 结构传输，离子与一个或多个溶剂分子形成络合物，因此可以在分子之间跳跃。C 新发现非常小体积的溶剂分子能在在锂离子周围形成两个鞘层；内鞘层含有溶剂分子和阴离子，外鞘只含有溶剂分子，这些分子将锂离子从内鞘中拉出，从而产生锂离子快速通过的通道，大大增强了离子的迁移率。

经典锂离子传导理论认为根据锂盐的浓度，液体电解质中的锂离子存在车辆传输（vehicular transport，图1a）和结构传输（structural transport，图1b）的机制，或者通过两者的组合来输运，高浓度电解液往往会激活结构传输机制。范修林教授研究团队发现当溶剂分子体积非常小时，相应的微型溶剂化结构可实现一种新型的传输机制，该类传输机制称为“配体通道传输”（ligand channel-facilitated transport, 图1c）。新的传输机制具体表现为锂离子周围形成了两个鞘层：内级溶剂化鞘层包含溶剂分子和离子对（阴离子），外溶剂化鞘层包括溶剂分子；外溶剂化鞘层中的溶剂分子将锂离子从内溶剂化鞘中拉出，从而产生锂离子快速传导的通道，增强了传输特性。新传导机制的提出可能会带来快速充电和低温电池开发的新方法。同时，该研究提出的新发现也能拓展至锂以外的储能电池系统，如钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池和钙离子电池等领域的研究。

评述论文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-024-00378-0

研究论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07045-4

附团队介绍：

黄佳琦教授带领的9728太阳集团极端环境能源材料与器件研究中心成立于2019年10月，获9728太阳集团实验室平台建设资助。围绕国家战略需求，依托“高能量物质”教育部前沿科学中心和9728太阳集团前沿交叉科学研究院，凝聚材料科学、化学、化工等多学科方向科学家开展前沿交叉特色研究。团队围绕国家在储能、材料、光伏等领域的重大战略需求，着力解决极端复杂环境体系下能量获取与存储转化过程所涉及的相关机制问题，从材料原理到器件应用开展研究。近三年来，中心在储能、光电、核能等多个国家重点领域承担科技部重点研发计划课题等15余项，科研经费5000余万元，在Nature、Nature Energy等期刊发表论文200余篇，其中高被引50余篇，培养高被引科学家4人。