威斯康星大学麦迪逊分校的工程师团队正开发用途广泛的新型电解质，朝着更高效、能量密度更高的电池迈出新一步，这种电池有望取代常见的锂离子电池。最初作为无阳极钠离子电池的新型电池，是未来电动汽车动力或电网储能系统的优选。

该团队以新型电解质为模型系统，研究如何操纵电解质中的分子，使其与不同电池组件兼容。研究由威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系助理教授刘芳以及博士生邢千里和杨子琪领导，相关进展详情已发表在《自然通讯》杂志上。

通常，电池由阳极(负极)、阴极(正极)和液体电解质组成。此电池的“初始无阳极”特性，指其物理阳极在首次充电时于内部形成，使电池更简单、便宜且能量密度更高。电解质含溶剂和溶解盐，是接触电池单元所有部分的液体介质，充电或放电时帮助离子在电极间移动。电池中，阳极和阴极材料不同，如阳极为石墨、硬碳钠或锂，阴极为过渡金属氧化物。

开发下一代电池的挑战在于，缺乏通用电解质同时有效兼容两种电极材料，且控制含多种溶剂分子的电解质相互作用和行为极具挑战性。调整电解质是涉及多种因素的平衡行为，如溶剂分子在离子周围形成“壳”，会影响离子在电极间移动，进而影响电池充放电和整体性能。

刘芳表示：“使用这个模型系统，我们想探究能否将不同分子呈现到不同电极表面，让电解质混合物在阳极和阴极处分别表现出理想特性。”

刘芳、邢千里及其合作者利用实验和计算方法研制新型、更高效的电解质。为制造新电解质，研究小组混合了两种醚基溶剂，即在阳极更稳定的2 - 甲基四氢呋喃(2 - MeTHF)和在阴极更稳定的四氢呋喃(THF)。

重要的是，他们找到了合理化电解质设计的方法：在电极间移动的带正电离子周围第一壳层中占主导地位的溶剂是阳极稳定性的关键，“自由”或键合较弱的溶剂对阴极侧稳定性很重要。刘芳称：“通过电解质工程工作，我们试图揭开分别决定阳极和阴极稳定性的谜团，以及如何向两个电极提供合适分子。”邢千里发现，第一溶剂化壳内溶剂数量与外部溶剂数量及其位置，决定了它们在电池形成过程中的呈现方式。

威斯康星大学麦迪逊分校化学与生物工程副教授Reid Van Lehn及其学生Jung Min Lee进行的计算测试也发挥了重要作用。他们利用全原子分子动力学模拟预测钠离子附近溶剂分子组成，确定离子是否“优先”选择一种溶剂。范莱恩说：“我们的结果与刘小组的实验一致，识别出一种强相互作用溶剂(2 - MeTHF)和一种弱相互作用溶剂(THF)，并利用计算将这些行为与溶剂相互作用相对强度联系起来，提供分子尺度洞察力，可扩展到更复杂混合物以优化电解质设计。”

这项研究为开发钠金属电池及其他锂离子电池替代品奠定了基础。刘教授表示：“通过研究，我们认识到溶剂和阴离子相互作用很重要。我们正尝试扩展溶剂库来操纵这类相互作用，看此工作原理能否应用于更广泛的溶剂库和不同电池化学反应。”

更多信息：Qianli Xing 等，《通过选择性溶剂在电化学界面上的呈现，实现无阳极钠金属电池》，《自然通讯》(2025)