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與開發新的正極和負極材料相比，人們對電解質開發的關注較少。然而，它是控制離子和電荷流動的關鍵，并且它是與所有其他物質親密接觸的唯一成分。隨著對更高能量和功率密度的推動，電解質還參與動態形成的中間相，有助于電池的穩定性，但這也會阻礙電池循環。

在此，美國芝加哥大學孟穎（Y. Shirley Meng）教授，阿貢國家實驗室Venkat Srinivasan教授和許康教授總結了電解質發展的“前世今生”，以及當下發展遇到的挑戰和已有的解決策略。同時，作為電池中流淌的“血液”，作者強調了不僅要聚焦電解質中離子的體相傳輸，還是更多關注其與電極之間的界面問題，其中包括至今仍未解決的問題，例如：（i）離子究竟如何穿過由本質上絕緣的材料組成的界面？（ii）如何精確測量界面內的電子和離子電導率？（iii）哪些組成部分最有效，哪些組成部分是不必要的和多余的？

此外，作者強調了加強文獻中電池性能數據的可重復性和可比性的重要性，強烈建議研究人員進行嚴格的實踐和標準化協議。相關綜述論文以“Designing better electrolytes”為題發表在Science上。

背景研究

電解質是每個電化學器件中不可或缺的組件，包括鋰離子電池（LIBs），它在物理上將兩個電極與直接電子轉移隔離開來，同時允許工作離子在電池中傳輸電荷和質量，以便電池反應可以可持續地進行。

無論是為手機供電，駕駛車輛，還是從太陽能和風力發電場收集間歇性能量，這些LIB中的電解質決定了設備可以充電的速度和次數，或者能量在電網上捕獲和存儲的效率。有時，當LIB被各種因素（例如過熱，機械損壞或在極端充電條件下引起的內部短路）推離設計的電化學路徑時，電解質也是我們在新聞中讀到的火災和爆炸事故的原因。

電解質是電池中最獨特的成分，它必須與所有其他組件進行物理接觸，同時滿足許多約束，包括快速傳輸離子和質量，有效地絕緣電子，以及保持對強氧化陰極和強還原陽極的穩定性。從歷史上看，電解質-陽極界面研究是完成現代LIB化學的最后一塊拼圖。

研究進展

LIB的商業化成功引起了人們對電解質研究的濃厚興趣和投資，使得將界面確定為電池的關鍵成分，遠遠超過任何已知電解質的熱力學穩定性極限。這些通常具有納米厚度的界面由電解質在分解過程中形成，它們確保了快速的充電和放電速率，最大電壓和LIB的可逆性。

在過去的三十年中，對相間的化學，形態和形成機制進行了深入研究。研究人員已經了解了這些界面是如何構建的，它們包含哪些關鍵成分，最重要的是，如何使用電解質工程來定制它們。今天，人們普遍認為，設計更好的電解質也意味著為電極材料設計相關的界面。盡管相間化學的準確預測仍然很困難，并且相間的關鍵基本性質（例如離子跨相傳輸的速率和機理）仍然未知，但離子溶劑化鞘的結構已被確定為指導界面形成過程的有效工具。

展望未來

人們正在努力開發電池化學物質，從而保證高能量密度，快速充電，低成本，高可持續性，并且獨立于高地緣政治或道德風險的元素或材料。每種單獨的化學反應可能需要獨特的電解質和相應的界面相，但出現了一些普遍的趨勢：（i）超濃度的鹽被用來利用由改變的離子溶劑化結構引起的不尋常特性;（ii）聚合物和無機材料都用于固化電解質，以便以更高的安全性利用具有腐蝕性的鋰金屬負極;（iii）努力確定最有效的相間成分，以便可以設計和應用的單一組合物的中間相;（iv）液化氣體組分用于擴大常規電解質的低溫極限;（v）通過將離子溶劑化鞘限制在納米或亞納米環境中來探索不尋常的電化學行為。