【儀表網 研發快訊】電解液在電池、電容器、電催化等能量存儲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以及化學/電化學反應的動力學過程，是電解液設計的關鍵研究對象。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、長循環穩定等功能，但關于電解液的理論研究卻停滯不前，導致目前電解液主要依賴“試錯法”或經驗性嘗試，具有開發周期長、成本高等缺點，限制了高性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，是推動電解液研究發展的關鍵。
 

　　近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部在前期設計出高性能電解液的基礎上(J. Am. Chem. Soc. 2024，146,7332)深入總結，基于電解液是熱力學平衡體系這一認知，首次建立了電解液的熱力學競爭平衡理論(圖1)，闡明了電解液溶劑化結構設計與演變遵循的熱力學本質與能量判據：溶劑化結構中氧配位鍵能量與離子鍵能量的競爭決定溶劑化結構演變的方向，電解液中焓變與熵變的競爭實現了溶劑化結構的新平衡。根據上述兩種熱力學競爭平衡關系，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(圖2)。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，可加速推動電解液研究領域的發展。
 

　　該研究成果以“Designing electrolytes by thermodynamics”為題在《National Science Review》上發表。金屬所博士生王耀祖為論文第一作者，楊慧聰副研究員、李峰研究員和成會明院士為論文的通訊作者。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金的支持。
 

　　該工作發表后受到關注，編輯部邀請了廈門大學孫世剛院士對工作做出了評價(National Science Review,2025; nwaf134)，認為該研究是電解液理論探索方面取得顯著的進步。基于可闡明的物理和化學行為，提出的熱力學競爭平衡理論指明了更先進功能電解液設計的方向和方法，突破了人工智能預測電解液性質時不可解釋的局限性。最后，孫世剛院士指出該熱力學競爭平衡理論的未來發展方向應逐步由平衡態熱力學理論拓展至非平衡態熱力學理論，更接近電池真實使用場景下實現電解液設計。
 

圖1. 溶劑化結構的熱力學競爭平衡示意圖
 

圖2. 基于熱力學競爭平衡理論的不同電解液設計策略