马天翼团队Advanced Functional Materials综述: 重新思考电池内的穿梭效应

邃瞳科学云

2025-12-18

导读：重新深入认识穿梭效应

研究背景

高能量密度电池体系（如锂硫、锂磷、金属空气及溴/碘电池）普遍面临穿梭效应引发的容量衰减与界面失效问题。传统研究将穿梭效应视为必须彻底消除的负面因素，而本研究指出，受控的溶解–扩散过程反而可加速氧化还原动力学、提升活性物质利用率并改善界面稳定性。通过系统梳理多类电池体系中的穿梭机理，本文提出“平衡穿梭态”新概念，强调在动力学与稳定性之间实现最优调控，为下一代高性能储能器件的设计提供全新的理论视角。

Figure 3. A) Summary of dissolution-diffusion phenomena in rechargeable batteries, highlighting each system’s unique dissolved components. B,C) Visual demonstration of dissolution–diffusion (shuttle) effect, electrolyte color change post–reaction, voids, expanded particle, and solubility of these electrode materials, which are categorized into two types based on whether the soluble species arise from a chemical reaction. Reproduced with permission.^[17] Copyright 2011, Springer Nature. Reproduced with permission.^[18] Copyright 2022, American Chemical Society. Reproduced with permission.^[19] Copyright 2024, Wiley. Reproduced with permission.[20] Copyright 2023, Springer Nature.

工作概述

题为：“Rethinking the Shuttle Effect: Intrinsic Phenomenon and Regulatory Opportunities in Battery Design”

DOI:10.1002/adfm.202525291

文章围绕以下核心内容展开：

1. 跨材料体系的统一穿梭机理

本工作系统比较了硫、磷、卤素（溴/碘）及锰/钒基电极中活性物质的溶解行为，提出了适用于多类电池体系的统一“溶解–扩散”机理。研究表明，在锂硫和锂磷电池中，电极材料在充放电过程中生成可溶性多硫化物或多磷化物，并在浓度梯度驱动下跨越隔膜迁移，导致活性物质损失和副反应；在溴/碘和锰/钒基水系电池中，活性物种或金属离子同样以高度可溶形式存在并发生扩散，诱发腐蚀与结构退化。尽管不同体系的氧化还原路径存在显著差异，但其本质均遵循“固态活性物质 → 可溶中间体 → 扩散迁移 → 非期望沉积”的共同演化规律。该统一机理为跨体系理解穿梭效应提供了理论基础，并为后续通过调控溶解行为实现性能优化奠定了机制框架。

Figure 4. Comparative analysis of energy storage mechanisms in S, P, Br₂, and MnO₂-based electrodes, revealing a shared dissolution–diffusion pathway underlying the shuttle effect. Despite differing redox chemistries—multistep solid–liquid–solid transitions in Li–S and P anodes, polyhalide formation in Zn–Br₂ systems, and Mn²⁺ dissolution in MnO₂ cathodes—all exhibit soluble intermediate species that migrate through the electrolyte and redeposit elsewhere. Reproduced with permission.^[30] Copyright 2024, Elsevier. Reproduced with permission.^[32] Copyright 2025, Springer Nature. Reproduced with permission.^[34] Copyright 2024, Springer Nature. Reproduced with permission.^[39] Copyright 2023, Wiley.

2. 传统观点：穿梭效应的危害

电极反应物及产物在电解液中的溶解性深刻影响电池反应路径与性能。传统锂离子电池中，除 Li⁺外的电极材料在充放电过程中基本不溶解，稳定的嵌入/脱嵌机制保证了结构完整性和长循环寿命。相比之下，锂硫、锂磷和金属空气等转化型电池依赖活性物质的溶解–沉积反应以获得更高的理论能量密度，但可溶性中间体的生成也不可避免地引发穿梭效应。溶解后的活性物种在电解液中扩散并跨越隔膜，造成自放电、活性物质流失、电解液污染以及电极界面退化，最终导致容量快速衰减和循环寿命受限。即使溶解物种浓度极低，也可能主导反应路径并显著放大性能损失。这一普遍存在的溶解–扩散行为构成了高能量密度电池体系面临的核心挑战之一。

Figure 6. Overview of traditional shuttle-suppression strategies in rechargeable batteries with soluble intermediates. Three main approaches are highlighted: i) electrode design, ii) electrolyte regulation and iii) separator modification. These synergistic strategies collectively aim to improve cycling stability and Coulombic efficiency.

3. 新观点：利用穿梭效应

尽管穿梭效应通常被认为会导致自放电、活性物质流失和界面退化，从而严重损害电池循环稳定性，近期研究表明，在严格受控条件下，适度的穿梭行为也可能通过可溶性中间体的快速反应动力学和更均匀的活性物质分布，暂时提升反应动力学和材料利用率。然而，这类正面效应窗口极为狭窄，失控的溶解与扩散仍是性能衰减的主要根源。现有研究主要通过电解液工程尝试调控穿梭行为，包括调节中间体溶解度和优化溶剂化结构，以在动力学提升与稳定性破坏之间寻求平衡，但相关机制和设计原则仍有待系统阐明。

Figure 10. Potential benefits of the shuttle effects in the Li-ions battery, supercapacitor and flow battery.

4. 受控穿梭效应的有效利用

本文工作表明，穿梭效应并非完全有害，在受控条件下可被有效利用以提升电池性能。在锂硫体系中，通过调控多硫化物的适度溶解与吸附强度，可在抑制穿梭与加快反应动力学之间实现平衡，显著提高硫利用率和循环稳定性，解释了绝缘性硫在液相体系中仍能高效反应的本质原因。类似的平衡策略同样适用于溴/碘体系：在锌溴电池中，合理设计络合阳离子可加快 Br₃^-的迁移与转化动力学，从而提升倍率性能；在碘基体系中，通过凝胶电解质对可溶碘物种的限域，实现快速液相反应与自放电抑制的统一。此外，穿梭效应还可用于锂金属电池中，通过可逆卤素氧化还原对“激活”失效锂并动态修复 SEI，实现自愈合界面；在钒基水系电池中，建立溶解平衡同样可显著减缓活性物质持续流失。这些结果表明，通过精确调控溶解–扩散行为，穿梭效应可由性能衰减源转变为提升动力学和稳定性的有效工具。

Figure 12. Moderately regulated shuttle effects enhance performance across various battery chemistries. (A) Li–S batteries with intermediate polysulfide solubility. Reprinted from Ref.^[21] with permission. (B) Improving Br-redox kinetics over conventional TBA⁺ complexes. Reprinted from Ref.^[130] with permission. (C) Gel electrolytes in iodine-based batteries. Reprinted from Ref.^[94] with permission. (D) I₃^-/I^- redox mediators enable dynamic SEI regeneration. Reprinted from Ref.^[131] with permission. (E) The solubility of V₂O₅. Reprinted from Ref.^[132a] with permission. (F) Na₂SO₄addition stabilizes cycling by establishing a vanadium dissolution equilibrium. Reprinted from Ref.^[133] with permission.

总结与展望

通过该综述，团队重新深入认识了穿梭效应。穿梭效应广泛存在于硫、磷、卤素（溴/碘）及锰/钒基电池体系，其本质源于活性物种在充放电过程中的溶解–扩散–沉积行为。尽管不同体系的氧化还原路径各异，但均遵循统一的溶解–扩散机制，既导致副反应、结构退化和容量衰减，也蕴含提升动力学和材料利用率的潜在机会。本研究系统整合多种电池化学中的实验与理论证据，提出通过电极设计、电解液调控和隔膜工程对穿梭行为进行精准调节。研究表明，在受控条件下，可溶性中间体可作为快速离子/电子传输载体，加速反应动力学、促进活性物质均匀分布，并实现界面与 SEI 的动态再生。由此，穿梭效应可由性能衰减源转变为可设计、可利用的功能机制，为实现高能量密度、快动力学和长寿命电池提供新的统一设计框架。

团队介绍

马天翼，是皇家墨尔本理工大学（RMIT）教授兼碳中和小组负责人。他于2013年获得南开大学物理化学博士学位。他已发表400多篇论文，被引用超过4万次，H指数为95。他的研究重点是用于能量收集、储存和碳捕获的光催化、电催化、热催化和压电催化材料。他是澳大利亚研究理事会未来研究员、英国皇家化学学会院士和科睿唯安高被引研究员。他的开创性工作使他跻身可再生能源和先进储能技术领域的全球领军人物之列。