海歸學者發起的公益學術平臺
分享資訊，整合資源
交流學術，偶爾風月
研究背景
電解液在電池、電容器、電催化等能量儲存與轉換領域中起著關鍵作用。電解液的溶劑化結構決定了電解液的物理化學性質及化學/電化學反應的動力學過程，是電解液的關鍵研究物件。在電池研究領域中，目前已經設計出多種具有特殊溶劑化結構的電解液體系，實現了電池的快反應速率、長迴圈穩定等功能，但關於電解液的理論研究卻停滯不前，導致目前電解液設計主要依賴“試錯法”或經驗性嘗試，具有開發週期長、成本高等缺點，限制了高效能電解液的合理設計和實際應用。因此，建立統一的理論指導電解液的設計，是推動電解液研究飛速發展的關鍵。
成果介紹
近日，中國科學院金屬研究所，瀋陽材料科學國家研究中心的李峰研究員、楊慧聰副研究員和中國科學院深圳先進技術研究院成會明院士等基於電解液是處於熱力學平衡狀態這一認知，發展了熱力學理論來指導電解液溶劑化結構的設計。在該理論中，陽離子–溶劑相互作用和陽離子–陰離子相互作用之間的熱力學競爭平衡以及焓和熵之間的熱力學競爭平衡是決定溶質溶解和各種溶劑化結構形成的兩個關鍵點。該熱力學競爭平衡理論可以很好地解釋高濃度電解液、局域高濃度電解液、弱溶劑化電解液、陰離子配位電解液和高熵電解液等電解液體系的基本原理。這一理論將有助於促進電解液研究的發展，並啟發具有獨特溶劑化結構和優異效能的先進電解液的出現。該文章以 “Designing electrolytes by thermodynamics”為題發表在National Science Review。中國科學院金屬研究所博士研究生王耀祖為該文第一作者。
圖文詳情
圖1. 溶劑化理論的發展歷史。
圖2. 溶液形成的熱力學過程。
圖3. (a)不同溶劑化結構及其焓競爭平衡的圖解。(b)在不同相對陽離子–溶劑和陽離子–陰離子相互作用強度下，溶劑化結構轉化的焓變圖示。橙色曲線表明陽離子–溶劑的相互作用強於陽離子–陰離子的相互作用。藍色曲線表明陽離子–溶劑相互作用弱於陽離子–陰離子相互作用。(c)溶劑化結構轉化的熵變圖示。
圖4.基於熱力學競爭平衡理論的不同電解液設計策略。
結論和展望
在指導電解液溶劑化結構設計的熱力學競爭平衡理論中，存在兩種重要的熱力學競爭平衡關係。一種是陽離子–溶劑相互作用和陽離子–陰離子相互作用之間的競爭平衡，決定了熱力學平衡狀態下電解液中的焓。另一個是焓和熵之間的競爭平衡，決定了電解液在熱力學平衡狀態下的最小吉布斯自由能。根據上述兩種熱力學競爭平衡關係，可以很好地描述溶質的溶解/解離過程以及電解液溶劑化結構的形成和演變過程。同時，該熱力學競爭平衡理論能夠統一解釋近年來發展的高濃度電解液、局域高濃度電解液、弱溶劑化電解液、陰離子配位電解液和高熵電解液等多種先進電解液體系的熱力學本質。這一研究成果彌補了當前電解液研究缺乏理論基礎的空白，為電解液溶劑化結構的設計提供了新思路與新方法，有望加速推動電解液研究領域的發展。
點選“閱讀原文”閱讀原文。
擴充套件閱讀
媒體轉載聯絡授權請看下方
