湖南大學(xué)團隊在低溫電池電解液領(lǐng)域取得原創(chuàng)性進(jìn)展
2026-02-05 08:21隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，電池在低溫環(huán)境下性能衰減的問題日益突顯，已成為制約電動交通、極地探測和航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用的重要瓶頸。其中，電解液中離子在電極/電解液界面的脫溶劑化過程緩慢，是導(dǎo)致低溫條件下界面反應(yīng)動力學(xué)受限的關(guān)鍵原因之一。然而，如何從分子層面定量描述電解液，厘清溶劑化結(jié)構(gòu)，從而指導(dǎo)電解液的理性設(shè)計，一直是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。
近日，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院能量儲存團隊圍繞這一科學(xué)難題，提出“溶劑化結(jié)構(gòu)熵”（Solvation-Configurational Entropy,Ssc）的概念，并系統(tǒng)揭示了Ssc對低溫電池界面反應(yīng)動力學(xué)的調(diào)控機制，為發(fā)展高性能低溫電池提供了新的理論框架和設(shè)計思路。
研究團隊以鉀離子電池為模型體系，通過分子動力學(xué)模擬、電化學(xué)測試與原位表征，驗證了高Ssc電解液在促進(jìn)低溫界面反應(yīng)動力學(xué)方面的優(yōu)勢。該策略進(jìn)一步被證實可成功拓展至鋰、鈉及鋅等多種金屬離子電池體系。機理研究表明，較高的Ssc能夠降低離子脫溶劑化能壘，從而加快電極/電解液界面的反應(yīng)動力學(xué)；研究中，團隊利用同步輻射快速 X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（Quick X-ray Absorption Fine Structure, QXAFS）技術(shù)，在原子尺度上對離子溶劑化環(huán)境進(jìn)行了解析。QXAFS 通過快速采集完整 XAFS 譜圖，有效避免了長時間輻照引發(fā)的電解液揮發(fā)或分解等問題對溶劑化結(jié)構(gòu)的擾動，從而最大程度保持了電解液本征溶劑化結(jié)構(gòu)的真實性，為相關(guān)機理研究提供了關(guān)鍵且可靠的實驗支撐。該工作從熱力學(xué)與結(jié)構(gòu)統(tǒng)計學(xué)的角度揭示了溶劑化結(jié)構(gòu)與界面動力學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為低溫極端環(huán)境下電池電解液的理性設(shè)計提供了新的理論依據(jù)。
研究成果以“Solvation-Configurational Entropy Governs Interfacial Kinetics in Low-temperature Batteries”為題發(fā)表于Cell 旗下的旗艦期刊Joule。湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院為第一完成單位，博士生羅文迪為第一作者，博士后傅虹瑋為共同作者，魯兵安教授、高彩天副教授為通訊作者。研究過程中，得到湖南大學(xué)何勇民教授、克萊姆森大學(xué)Apparao M. Rao 教授以及中南大學(xué)周江教授等的理論和實驗等方面的指導(dǎo)。中國科學(xué)院顧頌琦副研究員在同步輻射 QXAFS 實驗給予了重要支持，戴中欽博士在原位實驗和 QXAFS分析提供支持。在理論研究與計算分析方面得到劉全慧教授、朱國龍副教授的幫助。
高溶劑化結(jié)構(gòu)熵電解液促進(jìn)離子傳輸。
來源：湖南大學(xué)物電院
