傳統(tǒng)的碳酸鹽溶劑具有高揮發(fā)性和易燃性，存在嚴重的安全風(fēng)險，而且LiPF6化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，這使得電解質(zhì)對水分和溫度變化高度敏感。即使與添加劑組合，電解質(zhì)的電化學(xué)窗口也只能在4.4V以內(nèi)。下一代電池需要更高的能量密度（更高的電壓或容量）和更寬的工作溫度，并且必須滿足用于智能電話，電動車輛，智能電網(wǎng)和更高的安全標準等，傳統(tǒng)電解質(zhì)的這些缺點阻礙了下一代電池的發(fā)展。因此，全世界都在努力探索新的電解質(zhì)，如離子液體、高分子電解質(zhì)、無機固體電解質(zhì)和鹽濃縮的電解質(zhì)以超越傳統(tǒng)的鋰離子電解質(zhì)。其中，濃縮電解質(zhì)受到越來越多的關(guān)注。

在過去的幾年中，通過簡單地提高鹽-溶劑組合中鹽的濃度，實現(xiàn)了鋰離子電池電解液的重大突破，在許多方面表現(xiàn)出出色的技術(shù)優(yōu)勢。這種極其簡單而有效的策略可以克服限制現(xiàn)有鋰離子電池的大部分障礙，而不需要犧牲制造效率，因此研究人員廣泛感受到其具有的巨大工業(yè)發(fā)展?jié)摿Α＝眨毡緰|京大學(xué)AtsuoYamada教授回顧了高濃度電解質(zhì)研究的進展，包括對其優(yōu)缺點和未來前景的多角度分析，重點放在解決剩余技術(shù)障礙和科學(xué)問題的途徑上，旨在提供及時和客觀的信息，而不是重新強調(diào)許多技術(shù)優(yōu)勢。給予設(shè)計更實用的電池提供參考。

一、傳統(tǒng)電解質(zhì)和濃縮電解質(zhì)的區(qū)別

高濃鹽電解液，后鋰離子化學(xué)時代技術(shù)風(fēng)口？

傳統(tǒng)電解質(zhì)的配方：在碳酸亞乙酯（EC）和線性碳酸酯的混合溶劑中加入1M（mol-1）LiPF6得到的溶液。EC是一種必不可少的成分，可以使石墨負極的動力學(xué)穩(wěn)定；其還原分解產(chǎn)物可以包裹石墨表面形成導(dǎo)電但電絕緣的相（固體電解質(zhì)中間相，SEI），它可以有效地防止溶劑共嵌入石墨或低電位下電解質(zhì)的連續(xù)分解。LiPF6對Al集流體的鈍化至關(guān)重要，Al集流體是陰極中不可或缺的成分，在高電位下容易被腐蝕；痕量的水水解LiPF6產(chǎn)生HF，隨后與Al反應(yīng)，在表面形成穩(wěn)定的AlF3薄膜。優(yōu)化的1M濃度是鋰離子電導(dǎo)率最大的濃度。

增加鹽濃度將導(dǎo)致陽離子和陰離子/溶劑之間的相互作用增強，以及自由態(tài)溶劑分子的含量降低。高于閾值（通常>~3-5M，取決于鹽-溶劑組合），游離溶劑分子消失，導(dǎo)致形成一類具有特殊三維（3D）溶液結(jié)構(gòu)的新型電解液（稱為高度濃縮電解液）。這種濃縮電解液表現(xiàn)出不同于常規(guī)電解質(zhì)的物理化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)。這代表了一種新的電解質(zhì)設(shè)計，可以在不依賴EC和LiPF6的情況下鈍化石墨負極和Al集流體，從而開發(fā)出各種不含EC和LiPF6的電極。

二、濃縮鹽電解質(zhì)的優(yōu)勢

在本節(jié)中，簡要回顧和總結(jié)了濃縮鹽電解質(zhì)的優(yōu)勢：

高濃鹽電解液，后鋰離子化學(xué)時代技術(shù)風(fēng)口？

2.1高倍率

Yamada等人發(fā)現(xiàn)含有高度離解的鹽（例如，LiN（SO2F）2，表示為LiFSA）和低粘度溶劑（例如，乙腈（AN））的濃縮電解質(zhì)可實現(xiàn)高倍率的電極反應(yīng)。基于結(jié)果分析，LiFSA鹽和低粘度溶劑應(yīng)該是高倍率反應(yīng)的先決條件，因為它們可以最大限度地減少高濃度下粘度的增加，從而在Li+增加的情況下保持可接受的離子電導(dǎo)率水平。然而，濃縮電解質(zhì)中的不尋常的界面比離子電導(dǎo)率更重要。分析所有的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)石墨電極上的SEI具有與常規(guī)EC衍生的SEI非常不同的組成；濃縮電解質(zhì)的界面來自鹽（不是通常在常規(guī)稀釋電解質(zhì)中觀察到的溶劑），其高倍率能力應(yīng)該與其形成的的特殊SEI界面相關(guān)聯(lián)。

2.2高能量密度

為了獲得高能量密度，鋰離子電池必須使用高壓（例如5V級）或高容量（例如硫和鋰金屬）電極。然而，這些電極與常規(guī)的LiPF6的電解液的兼容性很差。例如，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的LiPF6易與微量水或H+反應(yīng)生成HF，在高電壓下腐蝕電極材料中的過渡金屬。用LiFSA或LiN（SO2CF3）2（LiTFSA）代替LiPF6，但這些電解質(zhì)不能鈍化Al集流體。通過應(yīng)用鹽濃縮策略可以解決這種困境。Matsumoto等人首次報道，當(dāng)LiTFSA濃度從1.0M增加到1.8M時，LiTFSA基電解質(zhì)中Al溶解的起始電位從3.8變?yōu)?.3V。Wang等人開發(fā)了一種超濃縮電解液，5.5MLiFSA/DMC，顯著改善了5VLiNi0.5Mn1.5O4/石墨電池的充放電循環(huán)。X射線光譜測量表明，在石墨電極表面沉積的過渡金屬可以忽略，這證明濃縮電解質(zhì)有效地抑制了鋁和過渡金屬在~5V時的正極溶解。

高壓性能可歸因于濃縮電解質(zhì)的特殊溶液結(jié)構(gòu)：（1）很少有自由狀態(tài)溶劑分子可以協(xié)調(diào)來自正極的金屬陽離子，（2）進一步增強的3D網(wǎng)絡(luò)抑制了金屬陽離子擴散到本體電解質(zhì)相。類似的機制也適用于Suo和Ueno等人使用濃縮電解質(zhì)來有效地抑制多硫化物從硫電極中溶解，并獲得了具有顯著改善的循環(huán)性能的高容量鋰硫電池。此外，與Li+配位的溶劑分子顯示出比其自由狀態(tài)的分子更高的氧化穩(wěn)定性，這是由于其最高占據(jù)分子軌道（HOMO）水平向下移動。因此，濃縮的電解質(zhì)可以減少溶劑氧化并因此在高電壓下產(chǎn)生H+。

其次，濃縮電解質(zhì)也適用于鋰金屬負極。錢等人在Li||Cu電池中施加4MLiFSA/DME，實現(xiàn)500小時的穩(wěn)定工作（在4mA/cm2下1000個循環(huán)）和高庫侖效率（>98％）。濃縮電解質(zhì)的至少有兩個優(yōu)點：首先，高濃度的Li+可以以更均勻的方式促進Li電鍍/剝離，避免枝晶生長；其次，濃縮的電解質(zhì)產(chǎn)生穩(wěn)固SEI，其抑制電解質(zhì)和Li金屬之間的副反應(yīng)以及枝晶生長。

最后，濃縮電解質(zhì)也適用于鋰-O2和Na-O2個電池。選擇合適的鹽-溶劑組合（例如，LiTFSA/NaTFSA與二甲基亞砜，AN或醚）使得O2正極和Li/Na負極的可逆運行成為可能。

2.3循環(huán)穩(wěn)定

商用鋰離子電池必須能夠穩(wěn)定地循環(huán)多年，這要求電池內(nèi)部的副反應(yīng)必須最小化。雖然濃縮電解質(zhì)具有許多傳統(tǒng)電解質(zhì)所不具備的出色功能，但仍需考察含有濃縮電解質(zhì)的電池的長期穩(wěn)定性。最近，石墨||Li和硬碳||Na電池在濃縮電解質(zhì)中測試超過一年（超過1,000次循環(huán)），容量衰減可忽略不計，表明濃縮電解質(zhì)中的SEIs非常穩(wěn)定，能夠促進鋰離子和鈉離子電池的長期循環(huán)。值得注意的是，使用常規(guī)電解質(zhì)的鈉離子電池不如鋰離子電池穩(wěn)定，因為EC衍生的SEI在常規(guī)Na+電解質(zhì)中更易溶。含有濃縮電解質(zhì)的硬碳電池顯示出比含有常規(guī)電解質(zhì)的更好的循環(huán)性能，證明陰離子衍生的無機SEI比EC衍生的有機-無機雜化SEI更穩(wěn)健。濃縮電解質(zhì)的這種特征將有助于開發(fā)高度穩(wěn)定的電池，且不限于鋰離子。

2.4安全性高

關(guān)于安全性，濃縮電解質(zhì)與傳統(tǒng)的電解質(zhì)相比具有很大的優(yōu)勢。首先，濃縮電解液可以完全排除易燃溶劑，確保其不易燃；第二，它提供了強大的陰離子衍生的SEI，避免了常見的非易燃溶劑差的鈍化能力；第三，它增強了陽離子和溶劑分子之間的相互作用，降低了溶劑的固有揮發(fā)性。所有濃縮電解質(zhì)的共同基本特征，可忽略不計的蒸氣壓，更少的有機溶劑相對量和更高的沸點，為設(shè)計更安全的電池系統(tǒng)提供了堅實的基礎(chǔ)。