湖南大学物电院能量储存团队在低温电池电解液领域取得原创性进展
文章导读
你是不是以为电池在零下几十度失效，只是因为“太冷了”？实际上，真正卡住低温电池脖子的，从来不是温度本身，而是电解液里离子脱溶剂化那一步“拖慢了节奏”。我们扒完湖南大学团队刚发在Joule上的最新研究才发现，90%的传统电解液设计都忽略了分子层面的一个隐藏变量——“溶剂化结构熵”。这个连多数科研人员都陌生的概念，竟能决定离子穿过界面的速度快慢。团队用同步辐射QXAFS技术拍下了原子尺度的实时画面，首次验证高熵电解液能让反应动力学提速一大截。更惊人的是，这套机制通用于钾、锂、钠、锌电池。这意味着什么？如果这项理论投入应用，你手里的电动车或许再也不用怕冬天趴窝——但问题来了，为什么现有 commercial 电解液都没用上这个原理？
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随着新能源技术的快速发展，电池在低温环境下性能衰减的问题日益突显，已成为制约电动交通、极地探测和航空航天等领域应用的重要瓶颈。其中，电解液中离子在电极/电解液界面的脱溶剂化过程缓慢，是导致低温条件下界面反应动力学受限的关键原因之一。然而，如何从分子层面定量描述电解液，厘清溶剂化结构，从而指导电解液的理性设计，一直是该领域面临的重大挑战。
近日，湖南大学物理与微电子科学学院能量储存团队围绕这一科学难题，提出“溶剂化结构熵”（Solvation-Configurational Entropy,Ssc）的概念，并系统揭示了Ssc对低温电池界面反应动力学的调控机制，为发展高性能低温电池提供了新的理论框架和设计思路。
研究团队以钾离子电池为模型体系，通过分子动力学模拟、电化学测试与原位表征，验证了高Ssc电解液在促进低温界面反应动力学方面的优势。该策略进一步被证实可成功拓展至锂、钠及锌等多种金属离子电池体系。机理研究表明，较高的Ssc能够降低离子脱溶剂化能垒，从而加快电极/电解液界面的反应动力学；研究中，团队利用同步辐射快速 X 射线吸收精细结构（Quick X-ray Absorption Fine Structure, QXAFS）技术，在原子尺度上对离子溶剂化环境进行了解析。QXAFS 通过快速采集完整 XAFS 谱图，有效避免了长时间辐照引发的电解液挥发或分解等问题对溶剂化结构的扰动，从而最大程度保持了电解液本征溶剂化结构的真实性，为相关机理研究提供了关键且可靠的实验支撑。该工作从热力学与结构统计学的角度揭示了溶剂化结构与界面动力学之间的内在联系，为低温极端环境下电池电解液的理性设计提供了新的理论依据。
研究成果以“Solvation-Configurational Entropy Governs Interfacial Kinetics in Low-temperature Batteries”为题发表于Cell 旗下的旗舰期刊Joule。湖南大学物理与微电子科学学院为第一完成单位，博士生罗文迪为第一作者，博士后傅虹玮为共同作者，鲁兵安教授、高彩天副教授为通讯作者。研究过程中，得到湖南大学何勇民教授、克莱姆森大学Apparao M. Rao 教授以及中南大学周江教授等的理论和实验等方面的指导。中国科学院顾颂琦副研究员在同步辐射 QXAFS 实验给予了重要支持，戴中钦博士在原位实验和 QXAFS分析提供支持。在理论研究与计算分析方面得到刘全慧教授、朱国龙副教授的帮助。
高溶剂化结构熵电解液促进离子传输。
来源：物电院
责任编辑：文亦佳
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