据外媒报道，威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin–Madison）的工程师团队正在开发一种用途广泛的新型电解质，朝着更高效、能量密度更高的电池迈出了新的一步，且这种电池有望取代锂离子电池。这种新型电池——最初是一种无阳极钠离子电池——是未来电动汽车动力或电网储能的领先候选材料。

图片来源： 威斯康星大学麦迪逊分校

该团队还将使用这种新型电解质作为模型系统，以了解如何控制电解质中的分子，使其与不同的电池组件兼容。

该研究团队由威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系助理教授Fang Liu以及博士生Qianli Xing和Ziqi Yang领导，并在期刊《Nature Communications》上发表了相关研究进展。

通常，电池由两个电极（阳极（负极）和阴极（正极））以及液体电解质组成。在这种情况下，电池的“初始无阳极”特性意味着其物理阳极在电池首次充电时在内部形成，使其更简单、更便宜且能量密度更高。

电解质含有溶剂和溶解盐，是一种接触电池所有单元的液体介质，在充电或放电过程中，它帮助离子在电极之间移动。

在电池中，阳极和阴极由不同的材料构成——例如，阳极由石墨、硬碳钠或锂构成，阴极则由过渡金属氧化物构成，例如锂镍锰钴氧化物或钠镍铁锰氧化物。

开发下一代电池的挑战之一是，没有一种通用的电解液能够同时有效兼容两种电极材料。相反，当电解液中含有多种溶剂分子时，控制它们的相互作用和行为就变得非常困难。

调整电解质是一项涉及多种因素的平衡工作，包括电解质中的溶剂分子如何在离子周围形成“壳”，从而加速或阻碍离子在阳极和阴极之间的移动——这最终会影响电池的充电和放电，以及电池的整体性能。

“利用这个模型系统，我们主要想了解是否可以将不同的分子呈现到不同的电极表面——例如，将阳极稳定的溶剂呈现到阳极，然后将阴极稳定的溶剂呈现到阴极，”Liu教授说道。“这样，电解质混合物在理想情况下会在阳极表现得像阳极稳定的溶剂，在阴极表现得像阴极稳定的溶剂。”

为了研制新的电解质，该团队混合了两种醚基溶剂：2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF，在阳极更稳定）和四氢呋喃（THF，在阴极更稳定）。

重要的是，他们找到了一种合理化电解质设计的方法：占据在电极之间移动的带正电离子周围第一层壳层的溶剂是阳极稳定性的关键，而“自由”或键合力较弱的溶剂则对阴极侧的稳定性至关重要。

“通过这项电解质工程研究，我们试图揭开决定正负极稳定性的谜团，以及如何将合适的分子呈现给两个电极，”Liu教授说道。“Qianli发现，关键因素在于第一溶剂化层中溶剂的数量与外部溶剂的数量，而它们的位置决定了它们在电池化成过程中的呈现方式。”

由威斯康星大学麦迪逊分校化学与生物工程副教授Reid Van Lehn及其学生Jung Min Lee进行的计算测试也在研究中发挥了重要作用。他们利用全原子分子动力学模拟来预测钠离子附近溶剂分子的组成，并确定这些离子是否“偏好”一种溶剂。

“我们的研究结果确实发现——与Liu团队的实验结果高度一致——我们可以识别出一种强相互作用溶剂（2-甲基四氢呋喃）和一种弱相互作用溶剂（四氢呋喃），”Van Lehn说道。“我们进一步利用这些计算，将这种行为与每种溶剂相互作用的相对强度联系起来，从而提供分子尺度的洞察力，并可将其扩展到更复杂的混合物，以继续优化电解质设计。”

这项研究为下一步开发钠金属电池以及其他新的锂离子电池替代品奠定了基础。

“通过这项研究，我们开始认识到溶剂和阴离子的相互作用变得非常重要，”Liu说道。“我们正在尝试扩展我们的溶剂库来操纵这些相互作用，看看这种工作原理是否可以应用于更广泛的溶剂库和不同的电池化学反应。”