清华深研院周栋副教授、李宝华教授，EES综述：少溶剂固体电解质实现更安全、更耐用的锂电池

第一作者：熊晨宇

通讯作者：周栋*，李宝华*

单位：清华大学国际深圳研究生院

锂离子电池在电子设备、电动汽车和可再生能源存储系统中发挥着关键作用。然而，传统液态电解质的锂离子电池存在严重的安全性问题，如热失控引发的火灾和爆炸，这限制了其发展。热失控是由过充电、外部或内部短路以及高温暴露引起的温度升高触发的。此外，在高能量密度的锂金属电池中，不可控的锂枝晶生长会引发短路，进一步加剧了安全性问题。因此，开发更安全、更耐用的电解质成为了发展锂离子电池的当务之急。近年来，准固态电解质因其优异的界面润湿性和增强的导电性而备受关注，但其过量的易燃溶剂（占比超过60%）引发了安全性和电极兼容性问题。研究表明，将液体溶剂含量降至20%以下可以提高电池的安全性和循环稳定性，这种新兴的“少溶剂”体系被称为少溶剂固体电解质（Lean-solvent Solid Electrolytes, LSEs），但目前常被误归类为全固态电解质，掩盖了其液体成分的存在。

本文由清华大学深圳国际研究生院周栋副教授和李宝华教授团队撰写，发表在《Energy & Environmental Science》上，题为“Lean-solvent solid electrolytes for safer and more durable lithium batteries: a crucial review”。文章首次定义了少溶剂固体电解质（LSEs），并对其进行了全面综述，包括少溶剂聚合物电解质、少溶剂多孔电解质和少溶剂无机电解质。文章深入探讨了LSEs的独特溶剂化结构、界面行为和基本性质，并阐明了开发基于LSEs的安全、耐用锂离子电池所面临的挑战，为未来的研究和技术突破提供了方向。

在LSEs中，液体成分通常占总电解质量的20%以下，以实现锂离子电池在室温下所需的离子导电性（≥10^-4 S cm^-1）。从热力学角度看，减少溶剂含量可以增加溶剂与Li⁺的配位，提高电解质的氧化稳定性。从动力学角度看，LSEs的基质成分与溶剂分子之间的强相互作用显著抑制了溶剂分子向电极界面的迁移，促进了界面处的去溶剂化过程。LSEs的离子传输主要发生在液体溶剂相和基质|溶剂界面，其独特的离子传导通道有助于实现快速的离子传输和稳定的电极|电解质界面。

LSEs的应用可以提高电池在机械滥用（如钉刺）和电滥用（如过充电）条件下的安全性，因为其降低了易燃和可氧化液体溶剂的含量。通过加速率量热法（ARC）测试结果表明，LSE基锂离子电池的热安全性得到了显著提升，表现为更高的自发热起始温度（T1）、更高的热失控温度（T2）、更低的最高温度（T3）和更小的温度上升速率（dT/dt）。这些特性确保了LSE基锂离子电池的可靠性和安全运行。

精确量化LSEs中的液体成分至关重要，因为溶剂含量显著影响LSEs和整个锂离子电池系统的性能。热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）是常用的热力学检测方法，通过测量溶剂蒸发后的质量变化来定量溶剂含量。此外，核磁共振（NMR）光谱、拉曼光谱和红外（IR）光谱等光谱技术不仅可以展示LSEs中的液体成分含量，还可以阐明溶剂、离子和LSE基质之间的分子间相互作用。

LSEs常被误归类为全固态电解质，忽视了其液体成分的存在，未来研究中应明确其分类，并精准控制溶剂含量，以平衡离子导电性、界面稳定性和电池安全性，建议使用“少溶剂电解质”这一分类以区别于其他电解质体系。其次，开发新型溶剂是提升LSEs性能的关键，理想的溶剂应具备低挥发性、低易燃性、高电极兼容性和适中的溶剂化能力，同时需重视溶剂与基质之间的化学稳定性。此外，借助人工智能/机器学习（AI/ML）和高通量协同筛选技术有望加速LSEs的设计与优化，提高研发效率。深入理解LSEs内部各组分之间的复杂相互作用以及电极|LSE界面行为至关重要，建议采用原位表征技术（如原位固体核磁共振、原位中子技术）和计算方法（如密度泛函理论、从头算分子动力学模拟），以揭示结构-性能关系，为LSEs的合理设计提供理论支持。LSEs的制造工艺和成本对其实际应用至关重要，未来需优化制造流程，降低生产成本，并考虑绿色化学原则，选择低毒或无毒溶剂，减少氟元素使用，以实现LSEs的可持续发展。最终，LSEs的发展不仅有助于实现高能量密度、高安全性、长寿命的锂离子电池，还将推动钠离子电池、锌离子电池和超级电容器等其他电化学储能设备的进步。

Lean-solvent solid electrolytes for safer and more durable lithium batteries: a crucial review

周栋副教授简介：清华大学深圳国际研究生院副教授、博士生导师。长期致力于极端环境用二次电池及其关键材料开发。在Nat. Energy.、Nat. Nanotechnol.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表学术论文80余篇，被引9000余次，申请中国专利五项，入选国家高层次青年人才、全球前2%顶尖科学家（2020-2024）、日本JSPS Fellowship、澳大利亚DECRA Fellow，获得广东省自然科学一等奖（2019）、第三届广东省材料研究学会青年科技奖（2024）。担任中国复合材料学会新型电池分会委员；eScience、Energy Material and Devices等期刊青年编委。

李宝华教授：清华大学深圳国际研究生院材料研究院副院长。国家先进电池材料产业集群负责人，工信部工业节能与绿色评价中心主任，炭功能材料国家地方联合工程实验室副主任，材料与器件检测技术中心（CNAS认可实验室，CSA授权）主任，国务院特殊津贴享受专家，入选国家人才计划，国家有突出贡献中青年专家，广东省电动汽车标准化技术委副主任，中国材料与试验团体标准委员会电池及其相关材料领域委员会（CSTM/FC59）主任委员，Wiley出版集团Energy & Environmental Materials 期刊副主编，Journal of Materials Chemistry A期刊顾问编委。2020年科睿唯安高被引学者和Web of Science年度影响力学者。已发表论文380余篇，其中29篇ESI高被引用论文，SCI引用25000余次，H因子87。申请专利160多项，已授权83项，PCT专利12项、授权美国专利1项、日本专利1项，实现了30多项专利技术的产业化应用。