摘要：水系电池因其成本效益高和环境可持续性强而备受关注。此外，水系电解液本身具有不可燃性、高离子电导率及简便的制备工艺，无需复杂设备即可实现。这些优势使水系电池成为下一代能源储存技术（特别是电网规模整合间歇性可再生能源方面）的有力竞争者。然而，受限于当前电解液体系的

水系电池因其成本效益高和环境可持续性强而备受关注。此外，水系电解液本身具有不可燃性、高离子电导率及简便的制备工艺，无需复杂设备即可实现。这些优势使水系电池成为下一代能源储存技术（特别是电网规模整合间歇性可再生能源方面）的有力竞争者。然而，受限于当前电解液体系的性能不足，水系电池仍面临放电电压平台低（≤2 V）及适用温度范围窄等问题。此外，电极-电解液界面不稳定也会导致电化学性能迅速衰退。

水系电解液的电化学性能在根本上取决于离子的溶剂化结构。该结构调控着电解液组分之间的相互作用，并影响电解液与电极界面的电荷转移动力学。这一过程进一步决定了离子迁移速率、去溶剂化行为及固态电解质界面（SEI）的形成等关键因素。

在低盐浓度条件下，阳离子与阴离子之间的相互作用较弱，主要形成的是溶剂分离离子对（SSIP）。此类结构以大量自由水分子参与为主，在电解液中形成连续氢键网络，易引发析氢反应，从而限制了其电化学稳定窗口。此外，在低温条件下，水分子之间的氢键作用可能引发相变，进一步限制电解液的性能。

在高盐浓度下，阳离子与阴离子的相互作用强，形成接触离子对（CIP）。近年来，诸如水盐型电解液和水合熔融电解液等高浓度电解液已被证实可通过将离子配位环境从以水为主转变为以盐为主，从而提高水系电解液的综合性能。

华中科技大学谢佳教授团队结合概念建模与实验设计方法，提出了一种可精确调控离子溶剂化行为的中等溶剂化电解液（MSE, mediumly solvating electrolytes）策略。MSE以丁二腈作为共溶剂，能与Li⁺进行中等强度的配位，从而重塑溶剂化结构，形成Li⁺-阴离子-水三元复合溶剂化壳层。这种特殊的溶剂化环境降低了Li⁺的脱溶能，并在电极|电解液界面处形成稳定且富含阴离子的SEI。采用该电解液的2.5 V LiMn₂O₄||Li₄Ti₅O₁₂全电池在1 C倍率下可实现平均99.3%的库仑效率，循环1000次后容量保持率高达98%。即使在–20 °C低温下，该体系仍表现出优异的倍率性能，并能在0.5 C下稳定循环200次。

中等溶剂化电解液中共溶剂的选择主要遵循以下四项设计原则：

1.通过精细调控溶剂化壳层，重构电解液中的氢键网络，抑制水的活性；

3. 适中的Li⁺–溶剂相互作用降低了脱溶能垒，促进界面的快速电荷转移；

4. 紧密的离子对结构可优先诱导阴离子还原，形成稳定的富阴离子SEI，在实现界面稳定性的同时，也促进了Li⁺在梯度SEI层中的快速迁移。

【图文速览】

【图1】不同类型水系电解液中溶剂化结构示意图

【图2】中等溶剂化结构电解液的概念设计

【图3】中等溶剂化结构电解液的电化学性能

本研究不仅提出了拓展电化学稳定窗口与提升低温性能的有效策略，还揭示了溶剂化结构设计与水分解稳定性、脱溶剂行为以及负极界面化学之间的基本关联。“中等溶剂化结构电解液”策略为优化电解液的溶剂化结构的提供了通用策略，具有广泛的适用性和推广价值。

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来源：高分子科学前沿一点号1