科學(xué)通報 | 電解液設(shè)計：超越Debye-Hückel理論的新進展

在“雙碳”戰(zhàn)略的驅(qū)動下，清潔能源技術(shù)正加速迭代。鋰離子電池作為電動汽車與電網(wǎng)儲能的核心載體，其能量密度與安全性已成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

近年來，隨著分子動力學(xué)模擬、機器學(xué)習(xí)及原位光譜技術(shù)的突破，研究者逐漸揭示了高濃度電解液的微觀作用機制，并提出“液態(tài)馬德隆勢（Liquid Madelung potential, ELM）”等新理論框架，為高比能電池的理性設(shè)計開辟了新路徑。該模型借鑒固體物理中的Madelung能計算思想，通過量化Li+周圍所有原子（溶劑、陰離子及其他Li+）的靜電勢貢獻，成功預(yù)測了高濃度體系中的電勢偏移（誤差<5%），為統(tǒng)一描述低濃度與高濃度電解液的熱力學(xué)行為提供了新范式.

香港城市大學(xué)徐吉健教授團隊撰寫評述文章，從傳統(tǒng)Debye-Hückel理論的失效機理出發(fā)，系統(tǒng)綜述高濃度電解液在溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控、離子對網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及新型鋰鹽分子工程中的創(chuàng)新策略，并探討實驗表征與多尺度計算的協(xié)同發(fā)展方向，旨在為下一代高能量密度、高安全性電池的電解液設(shè)計提供理論支撐與技術(shù)路線.

圖文導(dǎo)讀

圖1高濃度電解液的電極電位異常機制. (a) Debye-Hückel理論預(yù)測與實驗值的偏差; (b) 高濃度電解液比低濃度電解液更容易形成離子對，從而導(dǎo)致電極電位升高

圖2溶劑調(diào)控機制. (a) 強溶劑、軟溶劑和弱溶劑的比較示意圖；(b) 各種溶劑的 DN 與介電常數(shù)的關(guān)系圖; (c) Li+溶劑的結(jié)合能與介電常數(shù)的關(guān)系圖

圖3陰離子調(diào)控機制. (a) PF6、（氟磺酰）（三氟甲烷磺酰）亞胺（FTFSI）和氰基（三氟甲烷磺酰）亞胺（CTFSI）陰離子的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(b) 1,1,1-三氟-N-[2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙基]甲磺酰胺鋰（LiFEA）具有類冠醚狀折疊結(jié)構(gòu)；(c)亞磺酰亞胺鋰鹽（LiSTFSI）的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖4液態(tài)馬德隆勢解析高濃電解液電極電位偏移的微觀機制. (a) 液體馬德龍電位的計算框架，其中ELM代表周圍離子和/或溶劑與中心 Li+之間的靜電相互作用的總和；(b) 電位升高機制局部主導(dǎo)配位結(jié)構(gòu)從電子局域化的溶劑分子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮与x域的FSI?陰離子，由此引發(fā)的庫侖能損失

圖5數(shù)據(jù)驅(qū)動的電解液設(shè)計與原位分析技術(shù)相結(jié)合

文章信息

李清源, 張昊, 徐吉健. 電解液設(shè)計: 超越Debye-Hückel理論的新進展. 科學(xué)通報, 2026, 71(10): 2104–2112

Li Q, Zhang H, Xu J. Electrolyte design: new advances beyond the Debye-Hückel theory (in Chinese). Chin Sci Bull, 2026, 71(10): 2104–2112, doi: 10.1360/CSB-2025-0404

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-0404

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