电极与非液态电解质的相亲性比较(为什么电解液和电极材料相同)

导语：电极与非液态电解质的相亲性

图1 示意说明在电化学储能器件中电极与非液态电解质界面相亲性问题以及改性策略

电化学能量存储器件，如超级电容器，金属离子电池和金属基电池，能够通过电能与化学能的可逆转化有效的存储、传输和供应清洁能源。具有液态电解质的储能器件通常遭受电化学和热力学的不稳定性、低离子选择性和离子迁移数、不期望出现的浓差极化、窄的工作温度以及液态电解质泄露和着火的风险。用非液态电解质代替液态电解质是解决上述问题非常有效的措施。然而，非液态电解质的使用也面临着一些挑战，如低的离子电导率，与电极的化学或电化学兼容性问题，以及与电极界面的相亲性问题。尤其电极与非液态电解质界面相亲性问题存在于各种非液态电解质中。

因为不同于液态电解质，非液态电解质（包括无机固态电解质、聚合物固态电解质和凝胶态聚合物电解质）较差的流动性，甚至无流动性使得电极无法在电极/非液态电解质界面与非液态电解质充分接触，并且非液态电解质也无法进入到电极的内孔与电极内的活性材料接触。这样的结果导致储能器件在充放电过程中，电解质离子在电极/非液态电解质界面分布不均匀，移动迟缓，以及在电极内部传输也很缓慢，进一步造成储能器件阻抗性能，倍率性能和循环性能变差。

最近，构建相亲的电极/非液态电解质界面的改性策略有效克服因界面相亲性导致的电极和储能器件的储能效率低的问题。因此，这篇综述聚焦电极与非液态电解质界面相亲性。首先从非液态电解质的物化特征和电极电化学反应的本质出发，阐释电极与非液态电解质的界面相亲性的基本内容，并分析界面相亲性对电极的电化学储能性能的影响机制。然后，从2D 到3D系统而全面的评估构建相亲的电极/非液态电解质界面的设计思路、改性策略和研究进展。最后期望研究者能够在发展新的改性策略、引用“双导网络”的概念、采用辩证的研究方法，微观视角的深入理解和可工业化生产这些方向开展电极/非液态电解质界面的相亲性研究。以此推动非液态电解质和固态储能器件的发展和商业化应用。

以上最新综述以“Constructing Mutual-Philic Electrode/Non-Liquid Electrolyte Interfaces in Electrochemical Energy Storage Systems: Reasons, Progress, and Perspectives” 为题发表在Energy Storage Materials上。我组赵磊博士为论文第一作者。

图2 示意说明电极与非液态电解质界面相亲的状态

图3 电极与非液态电解质相亲性发展的历史路线图

文章要点一：从电极与非液态电解质电化学反应的本质阐明为什么构建相亲性界面。

在超级电容器、金属离子电池、金属基电池等电化学储能装置中，电能的存储/释放是通过充放电过程中电极与电解质离子之间的电化学相互作用来完成的。然而，当固体电极接触到具有一定硬度、流动性差、甚至没有流动性的非液态电解质时，固体电极与非液态电解质界面处会形成许多空隙，使固体电极难以与来自非液态电解质的电解质离子进行有效的电化学相互作用，进一步恶化了电极的电化学储能性能。

在非液体电解质中，电解质离子在骨架或膨胀的凝胶相中解离(在凝胶态聚合物电解质中)。因此，在电极与非液体电解质之间建立有利的相亲界面时，需要解决三个基本问题。i) 在电极/非液体电解质界面上，构建电极与电解质框架之间2D相亲界面，可以消除固-固接触形成的空隙，为构建2D和3D相亲的电极/非液体电解质界面提供了首要保障。ii) 在电极与非液体电解质框架相亲的前提下，电极与非液体电解质中离子的相亲性决定了电极与电解质离子的接触状态以及电解质离子在界面处的迁移效率。

因此，电极与非液态电解质之间的2D相亲界面应该是电极与电解质骨架和界面处的电解质离子都相亲，使电极能够与电解质离子产生良好的接触，便于电解质离子在界面处的运输。(3)电极与非液体电解质之间的2D相亲界面可以满足电极活性物质与界面上的电解质离子之间的电化学相互作用。然而，电极内部的电极活性物质仍然很难与电解质离子接触，因为电解质离子从非液体电解质框架中移动到电极中是非常困难的。

因此，通过构建电极与非液态电解质之间的3D相亲界面可以为电极内部的电解质离子提供了连续快速的通路，使得电极内外都能与电解质离子发生高效的电化学相互作用。此外，从微观角度剖析，有利于深入理解电极与非液态电解质的相亲问题。

图4 原位包覆无机离子导体改善电极与非液态电解质界面相亲性和电化学性能

图5 原位形成高离子导电率中间层的热力学条件和制备方法

文章要点二：系统全面评估构建2D相亲性界面的设计思路和改性方法。

图6 通过引入离子导体进入电极中构建3D 相亲的电极/非液态电解质界面

图7 通过引入电极材料进入非液态电解质中构建3D 相亲的电极/非液态电解质界面

图8 构建一体化固态储能器件

文章要点三：系统全面评估构建3D相亲性界面的设计思路和改性方法。

文章要点四：未来展望

1. 更多光、热和电引发的原位聚合和自愈合反应促进相亲的电极/非液态电解质界面发展。2. 设计具有“双导连续网络”的电极确保电极内部高离子导电率和高电子导电率。3. 构建相亲的界面需要兼顾其它因素，如电极的体积、机械性能、工艺成本、工艺可操作性，界面化学/电化学稳定性。4. 借用机器学习研究电极和电解质框架与界面离子的结合力对界面离子传输性能的影响，从微观视角深入理解界面相亲性。5. 改进界面相亲性的技术应该逐渐从实验走向规模化和工业化生产。

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