一、【导读】
研究显示，电动汽车要与内燃机汽车相媲美，这就要求锂离子电池（LIBs）必须在15分钟内完成充电。其中，锂离子通过液体或固体介质在正极和负极之间扩散，从而实现持续的离子传输。这一过程决定了电池充电或放电的速度，而电解液在电极处的可用性对于锂离子在电极-电解液界面的扩散至关重要。LIBs的电极呈现出多孔性，这些孔隙被电解液填满以促进锂离子的传输。在这些电极中，锂离子的扩散主要受到多孔电极高迂曲度导致的长扩散路径的限制。LIBs的充电速度主要通过优化电极结构或调整电解液化学来加快。例如，采用多孔结构的薄电极可以缩短锂离子的宏观扩散路径。尽管这种方法可以提高充电速率，但通常会以牺牲电池的能量密度（即电池能够储存的能量量）为代价。另一种方法是将电解液的量限制在2 g A·h-1，从而提高能量密度。在这种情况下，锂离子主要以溶剂化物种存在于液体电解液中，周围被三到四个溶剂分子包围。当锂离子快速迁移时，两个电极之间较大的电化学势能差会将溶剂分子从电极表面驱赶出去。这会导致局部电解液耗尽，并破坏电极-电解液界面处溶剂分子的连续性，从而影响锂离子电池的充电能力。
二、【成果掠影】
在此，美国马里兰大学王春生教授等人（通讯作者）报道了一种带电粒子在其运动方向上携带溶剂分子的现象—电渗拖拽，在LIBs的充电性能中扮演了比之前更关键的角色。同时，通过中子衰减成像分析，在各种电化学条件下监测了电解液在电解液-电极界面的行为。该技术有效排除了隔膜和集流体组件等其他电池部件的干扰，从而能够分辨电解液中溶剂分子的运动。结果证实，在快速充电过程中，锂离子将溶剂分子推向电解液，从而在多孔电极内产生电渗阻力。因此，孔隙中溶剂的补充不足导致电解液-电极界面处局部溶剂耗尽。同时，进一步提出存在一种“电渗电渗拖拽过电位”，这是在LIBs中补偿溶剂耗尽过程所需的额外电压，以驱动电化学反应。通过将实验观察与数学模型相结合，作者们研究了电极结构对电渗拖拽过电位的影响，证实了溶剂耗尽在不同电极系统中普遍存在因此，电渗拖拽过电位为描述快速充电过程中由离子通量驱动的溶剂迁移引起的电压损失提供了一个定量框架。
为了缓解电解液-电极界面处的溶剂耗尽，作者提出在电解液中引入了含有两个氟原子的溶剂分子。这些溶剂分子与带负电的阴离子形成了强氢键相互作用，增强了阴离子的溶剂化，并促进了多孔电极内的溶剂补充。这些分子还降低了正电荷锂离子在电解液中溶解所需的能量，从而产生了一种将溶剂分子拉向电极的反向力，缓解了电解液-电极界面处的溶剂耗尽，从而使得厚电极和高能量密度电池能够在13分钟内完成80%的充电。
相关研究成果以“Electrolytes that reduce electro-osmotic drag improve fast charging of lithium-ion batteries”为题发表在Science上。
三、【核心创新点】
1.作者报道了一种带电粒子在其运动方向上携带溶剂分子的现象—电渗拖拽，在LIBs的充电性能中扮演了比之前更关键的角色；
2.作者提出存在一种“电渗拖拽过电位”，通过设计具有弱阳离子溶剂化和强阴离子溶剂化的电解液，使得厚电极和高能量密度电池能够在13分钟内完成80%的充电。
四、【数据概览】
图1 本文中电渗拖拽机制及二氟甲基电解液设计示意图© 2025 AAAS
图2 溶剂迁移与拖拽系数测定© 2025 AAAS
图3 厚电极中的电渗拖拽极化© 2025 AAAS
图4 快充电解液的溶剂化调控与快充性能测试© 2025 AAAS
五、【成果启示】
总的来看，本文的研究扩展了锂离子电池中离子质量传输限制极化的理论，从而缓解了由电极表面锂离子供应与消耗之间的不平衡引起的电池极化。与经典理论相反，经典理论将电解液视为静止介质，本文将电解液组分视为可移动的物种，并在分子尺度上研究了电解液-电极界面处的溶剂行为。研究表明，锂离子电池的工作温度可能会影响溶剂耗尽行为。先前的研究也表明，调整工作温度可以优化锂离子电池的充电速度。尽管电渗拖拽极化可以作为快速充电性能的指标，但需要更精确的实验量化来验证由电渗阻力引起的过电位的大小。平衡电解液-电极界面处的离子溶剂化与电渗阻力对于快速充电锂离子电池技术的进一步发展至关重要，这种方法可以应用于优化燃料电池和其他相关的离子驱动溶剂传输系统，例如超级电容器和电催化剂。
文献链接：“Electrolytes that reduce electro-osmotic drag improve fast charging of lithium-ion batteries”（Science，2025，10.1126/science.adv1739）
本文由材料人CYM编译供稿。
