黏度是與離子傳輸和電解液潤濕性相關的極其重要的性質。獲取黏度值和深入理解這一性質仍然是一個具有挑戰性但至關重要的過程，這有助于評估電解液性能并針對具有目標性質的電解質配方進行改進。
這里，清華大學張強教授等人提出了一種被稱為屏蔽重疊法的方法，通過分子動力學模擬來高效地計算鋰電池電解液的黏度。作者進一步全面探討了電解液黏度的起源。溶劑的黏度與分子之間的結合能呈正相關，這表明黏度與分子間相互作用直接相關。電解質中的鹽會隨著濃度的增加顯著增大黏度，而稀釋劑則起到降低黏度的作用，這是由于陽離子-陰離子和陽離子-溶劑結合強度的變化引起的。?這項工作開發了一種準確、高效的計算電解液黏度的方法，并深入了解了分子水平的黏度，具有加速下一代可充電電池先進電解質設計的巨大潛力。
圖1 粘度（η）的計算方法以及純溶劑的粘度和結合能（Eb）的總結。
圖2 鋰氟磺酰亞胺/碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯電解液的溶解結構和電化學性質
圖3 DMC/LiFSI電解液不同鹽濃度下的MD快照、黏度、擴散系數和溶劑化結構統計
本研究開發了一種有效可靠的方法——SOM 來計算電解質粘度，通過分子動力學模擬計算的粘度值相對誤差小于±5%，適用于大多數溶劑。作者進一步系統地探索了粘度分子起源，發現純溶劑和二元溶劑混合物的粘度與溶劑分子間的結合能呈指數關系，這表明了分子間相互作用與粘度的內在相關性。
此外，溶劑混合物的粘度不遵循單個溶劑粘度的線性疊加，這也歸因于分子間相互作用的變化。鹽會增加電解質粘度，不僅因為陽離子和陰離子之間的結合比溶劑分子間的結合更強，而且還因為陽離子和溶劑之間有額外的結合。這些相互作用隨著鹽濃度的增加而逐漸增強。低粘度的稀釋劑通過減弱電解質成分之間的總體結合強度，有助于緩解濃電解質的高粘度，降低粘度和加快離子傳輸。
總之，本研究提出的計算方法為獲取電解質粘度提供了有效途徑，并有助于揭示分子間相互作用和粘度之間的潛在相關性。結合對粘度的深入了解，該方法有望加速設計高性能電池分子和電解質配方。
Nan Yao,? Legeng Yu,? Zhong-Heng Fu,? Xin Shen,? Ting-Zheng Hou,? Xinyan Liu,? Yu-Chen Gao,? Rui Zhang,? Chen-Zi Zhao,? Xiang Chen,? Qiang Zhang. Probing the Origin of Viscosity of Liquid Electrolytes for Lithium Batteries Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202305331.
Angew：用于可充電鋰電池的低溫電解質的40年發展歷程
可充電鋰電池是我們電氣化社會中最適合的能量儲存系統之一，因為幾乎所有便攜式電子設備和電動汽車現在都依賴于其中存儲的化學能量。然而，在零下攝氏度下運行，特別是低于-20℃，仍然是鋰電池面臨的巨大挑戰，極大地限制了它們在極端環境中的應用。慢速Li+擴散和電荷轉移動力學已被確定為低溫條件下RLB性能差的兩個主要原因，兩者都與控制體積和界面離子傳輸的液態電解質密切相關。
清華大學張強教授等首先從電解質的角度分析可充電鋰電池（RLBs）的低溫動力學行為和失效機制。作者接下來追溯了過去40年（1983-2022）低溫電解質的歷史，隨后對研究進展進行了全面的總結，并介紹了揭示其潛在機制的最新表征和計算方法。最后，作者提供了一些關于未來低溫電解質研究的展望，特別強調機制分析和實際應用。
商用高能密度富有韌性的可充電鋰電池（RLB）在冰點下的可靠運行仍然具有挑戰性但有著很大的前途。電解液極大地影響著鋰電池的低溫性能。通過高端表征、可靠模擬和設備級別的電化學測量，低溫電解液方面不斷深入的工程和科學理解是可預測的，這可能會在工業規模下帶來一些重大突破。我們可以樂觀地期待，在不久的將來，商用RLB在0至-40°C的溫度范圍內可以保留相當的容量，消除電動車在所有氣候條件下的里程焦慮。
在可預見的未來，鋰電池有望在-80°C以下進一步發揮作用。屆時，它們將成為可靠的太空探索電源。
Zeheng Li,? Yuxing Yao,? Shuo Sun,? Chengbin Jin,? Nan Yao,? Chong Yan,? Qiang Zhang. 40 Years of Low-Temperature Electrolytes for Rechargeable Lithium Batteries Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303888.
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