电池电极材料如何影响其性能和寿命

电池是通过在称为电极的两种材料之间移动称为离子的带电粒子来存储和释放能量的装置。电极由称为电解质的液体或凝胶分隔，其中含有离子和其他分子。使用电池时，每个电极的表面都会形成一层薄薄的分子，称为固体电解质界面(SEI)。

锂离子电池(LIB)和钠离子电池(SIB)在电极/电解质界面处的氧化还原过程可逆性不足，这与机械不稳定和反应性SEI的形成有关。稳定的富含无机物的SEI可以隔离电子转移，只允许某些离子扩散通过，因此支持超出电解质电化学极限的可逆循环。

虽然在高温(>100°C)下使用无机熔盐电解质的电化学电池表现出稳定的循环性能，但日常应用依赖于包含金属盐和有机溶剂的电池电解质。这种混合物会在充电界面引发竞争反应，导致电解质持续消耗和金属沉积不均匀，即金属电极形成枝晶

，导致电池故障，有时甚至引发安全问题。

优化SEI化学和形态以实现可逆电荷传输的最实用、可扩展的方法之一是共同选择电解质化学和形成方案(即初始循环条件，具有特定的电流/电压条件)。同时，尽管电极材料对SEI形成的初始阶段具有固有的影响，但其在这一进展中的重要性却被明显低估。

为了弥补这一信息空白，来自迪肯大学和莫纳什大学(澳大利亚墨尔本)的研究人员研究了电极的物理化学性质对离子液体和碳酸盐基钠电解质形成SEI的机制的影响。该工作发表在《能源与环境科学》杂志上。

利用实验和理论工具的结合，我们证明了电解质-电极界面的结构和固体电解质界面的性质很大程度上受到电极的极化率(其介电性质)的影响，并且我们解释了这些现象带电电极吸附电解质物质的能力(见上图)。

具体来说，具有弱范德华力的非金属电极会遇到静电排斥，从而防止携带与电极电荷相同的电荷的高极性溶剂或离子的积累。这会影响带电电极附近钠离子与有机溶剂的复合物浓度。因此，形成的相间化学物质根据所施加的充电条件而变化，导致不同的相间化学物质的发展——溶剂衍生的或阴离子衍生的。

有了这一新的科学发现和关于给定电解质中离子溶剂化结构的知识，我们可以更加合理地设计可充电电池的智能循环协议。

这项研究可以帮助为各种应用设计更好的电池，例如电动汽车、可再生能源存储或便携式设备。它还可以帮助开发将电化学系统用于其他目的的新方法，例如制造化学品(电催化)或从废物中回收金属。