王春生，Nature Energy！

米测MeLab

2025-07-07

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

电解液的电化学稳定性窗口是电池性能的关键，它决定了电池无副反应的工作电压范围。更宽的窗口可实现更高容量和能量密度。从稀水电解质到盐包水和有机电解质的发展历程，充分证明了扩大稳定性窗口的重要性。

关键问题

然而，电解液稳定窗口的扩展主要存在以下问题：

1、电解液自身的局限性难以满足高压电池的需求

大多数现有电解液的电化学稳定性窗口较窄，难以满足高压电池（>5.0 V）或快速充电的需求。同时，不同类型的电解液（如醚基电解质和碳酸盐基电解质）各自存在局限性，难以同时兼容阳极和阴极的需求。

2、难以实现稳定的双相电解质

使用固体离子传导膜分离电解质时，存在脆性、变质、低离子传导率和高成本等问题，影响电池性能和经济可行性。而将两种不混溶溶剂结合时，离子存在和界面迁移会导致溶剂混合，难以实现稳定的双相电解质。

新思路

有鉴于此，马里兰大学王春生等人设计了一种具有动态扩展电化学稳定窗口的自适应电解质，在充电过程中实时增加，超过了随着充电电流的增加而增加的过电位。自适应电解质在浊点组成上是盐和互补氧化-和抗还原溶剂的单相溶液，但在充电过程中可以进行溶剂分离以动态重新分配溶剂组分。抗氧化性溶剂在正极聚集，抗还原性溶剂在负极聚集，在充电过程中实时拓宽电解液稳定窗口。概念验证实验验证了该设计在水系锌金属和非水系锂金属电池中的多功能性，实现了负极高的库伦效率和正极增强的氧化稳定性。

技术方案：

1、开发了一种自适应电解质

研究基于盐、抗还原溶剂和抗氧化溶剂的三元体系开发了一种自适应电解质。充电时，为高能量电池提供新方案。

2、探讨了自适应电解质在充电过程中的动态相分离现象及其机制

自适应电解质在充电时因盐浓度变化触发相分离：富水相在正极聚集，富乙腈相在负极聚集。这种分离提高了锌阳极的还原稳定性，同时破坏水的氢键网络，抑制析氢反应，增强电池性能。

3、验证了自适应电解质在抑制锌阳极HER方面的优势

实验表明，施加电流后，自适应电解质中HER动力学显著下降，HER阻抗增加，且锌阳极表面沉积物减少，显著提升了电池性能和稳定性。

4、分析了自适应电解液中锌阳极及全电池性能

自适应电解质显著提高了锌电池的库仑效率（可达99.9%），并延长了循环寿命（1350小时），优于常规电解质（450小时短路或劣化）。

5、验证了自适应电解液设计原理的普适性

作者证实了自适应电解质基于FEC、苯甲醚和LiFSI的三元体系，实现了相分离，提升锂金属电池性能，延长循环寿命，助力下一代电池开发。

技术优势：

1、开发了一种动态扩展电化学稳定窗口的自适应电解质

本研究开发了一种由盐、抗还原溶剂和抗氧化溶剂组成的自适应电解质。充电时，盐浓度梯度引发溶出过程，触发相分离，使抗还原溶剂集中在负极，抗氧化溶剂集中在正极，动态拓宽稳定窗口，有效应对过电位。

2、展示了自适应电解质的多功能性和广泛适用性

自适应电解质的设计在水系锌金属电池和非水系锂金属电池中均得到了验证，展示了其多功能性和广泛的适用性。它实现了负极高库伦效率和正极增强的氧化稳定性，为电解液的设计提供了一种新的范例，突破了传统电解质的局限性。

技术细节

自适应电解质的设计原理

本研究开发了一种自适应电解质，基于精心挑选的三元体系（盐、抗还原溶剂和抗氧化溶剂），在充电时通过盐浓度梯度引发溶剂析出诱导的相分离，实现动态扩展电化学稳定窗口。实验中，选择具有高盐亲和力的抗氧化溶剂和抗还原溶剂，分别聚集在正负极附近，以支持稳定操作。通过筛选33种候选有机共溶剂，确定了满足高偶极矩和适度供体数（DN）的溶剂（如四氢呋喃和乙腈），并结合锌盐阴离子的选择，最终确定了位于相分离临界点的电解质组成。分子动力学模拟和实验结果表明，该电解质在充电过程中能够动态调整相分离，从而实时扩展电化学稳定性窗口，为高能量电池的快速充电提供了新的解决方案。

图  传统电解质和自适应电解质的工作原理

图  自适应电解质的设计原理

电荷驱动相分离

作者探讨了自适应电解质在充电过程中的动态相分离现象及其机制。自适应电解质基于溶出效应设计，在静止时保持均匀，充电时由于负极附近盐浓度降低、正极附近盐浓度增加，破坏了平衡，触发液-液相分离。富水相在正极附近聚集，富乙腈相在负极附近聚集，这种相分离提高了锌阳极的还原稳定性。通过使用IR-780染料观察颜色变化，发现充电时乙腈在锌沉积侧富集，水在锌溶解侧富集。核磁共振（NMR）、红外（IR）和拉曼光谱分析进一步证实了相分离现象，且分离程度与充电速率正相关。此外，乙腈的富集破坏了水的氢键网络，降低了水的活性，从而抑制了析氢反应（HER）。这些发现揭示了自适应电解质在充电过程中动态调整其组成以增强电池性能的机制。

图  自适应电解质的电荷驱动相分离

自适应电极的析氢抑制

研究验证了自适应电解质在抑制锌阳极析氢反应（HER）方面的优势。实验采用锌||铂三电极系统，铂片作为探针评估锌沉积附近局部电解质的HER动力学。结果显示，自适应电解质中施加电流后HER动力学显著下降，与对照电解质中HER动力学几乎不受影响或略有增加形成对比。电化学阻抗谱（EIS）也表明，施加电流后自适应电解质的HER阻抗显著增加。随着充电电流密度的增加，自适应电解质中铂电极的HER交换电流密度降低，HER电荷转移电阻增加，进一步证实了HER的有效抑制。此外，自适应电解质中循环的锌阳极上几乎没有碱式硫酸锌水合物沉积物，而常规电解质中则有大量沉淀，表明自适应电解质显著减轻了HER导致的电极劣化，提升了电池性能。

图  自适应电解质的电荷驱动HER抑制

自适应电解液中锌阳极及全电池性能

自适应电解质显著提升了锌电池的性能。与1 M ZnSO₄水性电解质和非自适应电解质相比，自适应电解质在1、5和10 mA cm⁻²电流密度下，镀锌/剥离的平均库仑效率分别达到99.7%、99.8%和99.9%。在高电流密度下，其性能优势更明显，且能稳定循环1350小时，远优于常规电解质（450小时短路或劣化）。在Zn||V2O5全电池中，自适应电解质可稳定循环553次，保持80%容量，而常规电解质仅能循环105~192次。锌阳极的SEM图像显示其表面致密，无枝晶或钝化层，表明自适应电解质能拓宽电化学稳定性窗口并抑制副反应，为高能量密度和快速充电能力的集成奠定了基础。

图  自适应电解液的电化学性能

自适应电解液设计原理的普适性

研究提出了一种适用于锂金属电池的自适应电解质，基于氟代碳酸亚乙酯（FEC）、苯甲醚和双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）的三元体系。该体系利用FEC和苯甲醚的互溶性以及对锂盐的不同溶剂化能力，在充电时实现相分离，使FEC在正极富集，苯甲醚在负极富集，从而结合两者的优点。实验表明，自适应电解质在Cu半电池中展现出超过300次的长循环寿命和高库仑效率（CE），且锂沉积均匀。在高负载磷酸铁锂（LFP）全电池中，自适应电解质可稳定循环150次，容量无明显下降，显著优于对照电解质。这一成果为下一代电池的开发提供了新思路。

图  证明自适应电解质工程在锂金属电池中的普遍性

展望

总之，本研究开发了一种自适应电解质，其电化学稳定窗口在充电过程中动态扩展。通过三元体系的溶出效应，在静止时保持均匀，充电时触发相分离，富集抗还原和抗氧化溶剂，拓宽稳定窗口。该策略在水系锌金属电池和有机锂金属电池中验证，可实现快速充电且不影响能量密度，为下一代电解质设计提供了新框架。

参考文献：

Zhao, CX., Li, Z., Chen, B. et al. Self-adaptive electrolytes for fast-charging batteries. Nat Energy (2025).

 https://doi.org/10.1038/s41560-025-01801-0