研究背景

全球对可持续能源的需求不断攀升，加之环境污染和资源枯竭等紧迫挑战，使得先进储能技术的开发受到了前所未有的重视。在众多候选技术中，高能量密度电池已成为为各类应用供电的基石，其应用范围涵盖便携式电子产品、电动汽车到大规模电网储能系统。对于下一代电池而言，实现更高的能量密度至关重要，因为这直接决定了单位重量或体积所储存和释放的能量。锂硫电池等高能量体系存在多硫化物穿梭效应，即可溶性中间产物的迁移会降低活性物质的利用率并损害整体性能。电解质失效、隔膜离子选择性差以及不稳定的去溶剂化/溶剂化过程等进一步复杂化问题，共同损害了电池的电化学稳定性和使用寿命。至关重要的是，这些挑战源于电池架构中微观和纳米级界面及相内离子和电子行为的复杂相互作用。从界面和微观结构的角度解决这些基本的传输问题，为合理设计稳定的高能量密度电池系统提供了有前景的途径。

Multifunctional Dipoles Enabling Enhanced Ionic and Electronic Transport for High〦nergy Batteries

Shihai Cao, Yuntong Sun*, Yinghao Li, Ao Wang, Wenyao Zhang, Zhendong Hao*, Jong-Min Lee*

Nano-Micro Letters (2026)18: 99

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01926-7

本文亮点

1. 对高能量电池中分子和离子偶极子的作用机制进行了全面综述，涵盖其发展、分类以及在电池系统中的多方面作用。

2. 阐明了分子和离子偶极子如何调控离子传输、优化溶剂化结构、强化双电层以及构建稳定的固体电解质界面/正极-电解质界面层，这些均有助于提升电池性能。3. 展示了偶极相互作用在各类电池系统中的广泛应用，例如抑制锂金属电池中的枝晶生长以及提高锂硫电池的循环稳定性。

4. 提出了未来研究方向，包括人工智能辅助的材料设计、深入的作用机制探索、多学科融合、数据库建立以及推动实际应用，旨在推动高能量电池的发展。

内容简介

实现高能量密度仍是先进储能系统的关键目标。然而，正极导电性差、负极枝晶生成、多硫化物穿梭效应以及电解质降解等挑战持续限制着电池的性能与稳定性。分子和离子偶极相互作用已成为解决这些问题的有效策略，其可通过调控离子传输、调节溶剂化结构、优化界面化学以及增强电荷转移动力学来实现。这些相互作用还能稳定电极界面、抑制副反应并减轻负极腐蚀，从而全面提升高能量电池的耐久性。深入理解这些机制对于指导下一代电池材料的设计至关重要。南洋理工大学Jong-Min Lee等人综述了偶极相互作用在高能量电池中的发展、分类及优势。全面探讨了偶极的作用，包括促进离子传输、控制溶剂化动力学、稳定双电层、优化固体电解质界面及正极-电解质界面层，以及抑制寄生反应等。最后，提出了未来研究方向的展望，以推动基于偶极的高性能储能策略的发展。本综述旨在为偶极相互作用系统的合理设计提供见解，并促进电化学储能技术的进步。

图文导读

I 简介

实现更高的能量密度对于下一代电池而言至关重要，因为其直接决定每单位重量或体积所储存和释放的能量。离子和电子传输过程是实现这一目标的核心，这些过程与电池系统中几乎所有组件(包括正极、负极、电解质和隔膜)均紧密关联(图1)。然而，若干内在和外在限制因素仍持续阻碍着进展。例如，正极材料的电子导电性差会限制电化学反应过程中的电荷转移动力学，而正极-电解质界面(CEI)的不稳定性则会加剧副反应和结构降解。

图1. 与离子/电子传输相关的高能量电池关键问题。

分子与离子间的偶极相互作用近期已成为应对上述挑战的一种颇具前景的策略，其提供了多功能且复杂的机制，在提升性能方面具有巨大潜力。这些相互作用源于分子或离子物种内部正负电荷分布不均，从而在界面处产生强静电引力或引发界面修饰(图2a)。此类偶极效应可有效调控局部物理化学环境并调节界面特性，进而改善离子和电子传输过程。

图2. a 分子与离子偶极子示意图。b 偶极子相关文献发表情况及 c 研究领域(数据来源于Web of Science)。d 分子与离子偶极在高能量电池中的作用。

II 偶极相互作用在高能电池中应用的发展、优势、分类和挑战

2.1 高能电池偶极相互作用的发展

近年来，人们已投入大量精力来利用这些相互作用以调控锂离子、钠离子和锂硫电池等各类高能量电池系统中的离子和电子传输。该研究领域发展迅速，主要科学数据库中索引的出版物数量不断增加即为佐证(图2b)。文献计量学分析显示，聚焦于电池中偶极相互作用的学术文章数量逐年稳步增长，且在能源、化学和材料科学领域的一流期刊中的占比不断扩大(图2c)。这些进展反映出人们日益认识到分子和离子偶极相互作用在电池微观和纳米尺度上可能发挥的多功能作用，其主要包含两种形式(图2d)。具体而言，这些相互作用不仅被证实能够调控溶剂化结构和离子传输，还有助于界面稳定、抑制枝晶生成以及提高活性物质利用率。

2.2 偶极相互作用的优点

与传统离子-离子静电相互作用相比，分子-离子偶极相互作用在调控离子传输行为方面具有更高的精准度。与其他化学键合机制(如配位键或共价键)不同，偶极相互作用在电极-电解质界面展现出独特功能，其可在不引发不良副反应的情况下动态调节局部离子环境。在电池运行过程中，电极-电解质界面在决定电化学性能和稳定性方面起着关键作用。该界面处的许多化学相互作用会导致不稳定中间体的形成或引发寄生反应，从而损害电池寿命。相比之下，偶极相互作用提供的相互作用强度较为平衡——强于范德华力但弱于传统共价键，可实现自适应界面调控，同时将不可逆化学转化的风险降至最低。此外，与特定化学相互作用(如某些金属离子与配体之间的选择性配位)相比，偶极相互作用具有更优的普适性和材料兼容性，可广泛应用于多种电极和电解质化学体系。这些固有优势使偶极相互作用成为提升高能量电池性能和耐久性的通用且可扩展的策略。

2.3 高能电池偶极相互作用的分类

高能量电池系统中的偶极相互作用可大致分为以下类型：i)离子-溶剂分子偶极相互作用，其中溶剂偶极调节离子的溶剂化环境，直接影响离子传输、去溶剂化及界面行为；ii)离子-官能团偶极相互作用，发生于经极性官能团修饰的电极表面，可调控界面电荷分布并影响离子通量动力学；iii)添加剂分子-离子偶极相互作用，即电解质或隔膜中的偶极添加剂与迁移离子相互作用，促进界面稳定或选择性离子传输。这些类别反映了偶极相互作用有效融入锂离子、钠离子和锂硫电池等各类电池系统的多样化场景。定制化的偶极设计策略已展现出显著提升电化学性能指标(如循环稳定性、库仑效率和倍率性能)的能力。鉴于其结构多样性和功能可调性，偶极相互作用为同时解决高能量电池系统中的多重挑战提供了多功能工具箱。持续探索这些相互作用类型将进一步优化先进电池材料及界面的设计策略。

III 高能电池分子离子偶极子的作用机理

基于分子-离子耦合的特殊优势，分子-离子耦合已被证实是解决高能量电池中离子-电子传输相关问题的颇具前景的候选方案。根据近期研究，高能量电池中分子-离子偶极相互作用的相应机制可归类为调控离子传输过程、调控并干预去溶剂化过程、增强双电层、优化固体电解质界面(SEI)层结构、改善正极-电解质界面(CEI)层以及提升电导率等，如图3所示。本文总结了具有不同分子-离子偶极效应的某些高能量电池的离子迁移数、离子电导率以及包括循环性能、沉积/剥离稳定性和库仑效率在内的一些典型电化学性能。

图3. 分子离子偶极作用在高能电池中的作用。

3.1 促进离子传输

枝晶形成对高能量电池的电化学性能具有重大影响。枝晶的形成本质上是金属离子传输不均匀所导致的非均匀沉积。因此，抑制枝晶形成至关重要。偶极效应可调控金属离子的传输过程，调节表面电场与离子分布，形成有序离子通道，加速金属离子迁移，提高金属离子的迁移数，从而实现无枝晶金属沉积。

3.1.1 促进均匀离子传输

离子在有序且取向一致的结构中的传输速度远快于在随机排列结构中的传输，这能够最大化离子迁移速率，从而显著提升相关性能。Cai等人通过偶极分子效应对锌负极的离子场进行调控，并在锌表面构建了一层独特的偶极分子(DPM)层，以调节表面电场和离子分布。偶极效应展现出快速的锌离子迁移动力学特性。DPM-Zn的Zn²⁺迁移数相对较高，达到0.82，高于裸锌电极的0.67，表明其具有出色的离子传输能力。在恒定电压-150 mV下，裸锌的恒电流(CA)曲线在100秒内电流密度持续下降，这表明存在长期二维(2D)扩散现象。这是因为锌离子更倾向于横向扩散至尖端位置，且尖端位置过量电荷的积累更有利于沉积(图4a-f)。

与Cai等人的研究类似，Zhao等人也开发了一种新颖且简便的电场诱导分子靶向策略，用于制备具有垂直排列离子传输通道的柔性复合聚合物电解质(CPEs)。由此，在垂直取向的CPEs中形成了许多垂直排列的离子传输通道，从而展现出优异的抑制锂枝晶生长和促进离子传输的能力。当施加强电场时，这些极性偶极子可进一步极化并沿电场方向规则排列，从而驱动聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(PEGMEA)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)的极性分子在该强电场中重新取向(图4h)。P-15C5表面无规则取向条纹，表明其结构为随机排列。而OA-P-15C5 CPE的横截面显示大量平行方向的轻微条纹图案，这种规则排列是由强直流电场引起的偶极相互作用驱动的(图4g-l)。

与先前研究不同的是，Huang等人制备了一种不对称的聚偏氟乙烯(PVDF)-锆钛酸铅(PbZrₓTi₁₋ₓO₃，PZT)复合聚合物电解质(CPE)。该CPE结合了高介电常数的PZT纳米颗粒，并在阳极侧富集了致密薄层，使其偶极子末端具有强电负性。这些偶极子在PZT-PVDF界面吸引Li⁺，引导Li⁺在相邻偶极子间传输，从而有效构建了偶极通道。此外，PZT的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像及选区电子衍射(SAED)图案分析表明，其晶格间距为0.289 nm，与四方相PZT的(101)晶面一致。四方相为铁电相，赋予PZT高介电常数，促进盐的解离，生成更多电负性偶极子末端，使Li⁺能够沿偶极通道吸附并传输。循环后的Li//PVDF-PZT CPE界面显示的氟化锂含量高于循环后的Li//PVDF固体聚合物电解质(SPE)界面(图4m-p)。

图4. a-f. DPM-Zn相较于裸锌电极的离子传输优势。 g-l. OA-P-15C5复合聚合物电解质的制备与性能。 m-p. PZT/PVDF复合电解质的偶极通道调控机制。

3.1.2 提高电解质的溶解度

基于上述研究在离子传输调控与界面稳定性优化方面的突破，Xu等人进一步通过精细调控离子-偶极相互作用，成功提升了硝酸锂(LiNO₃)在电解液中的溶解度，实现了其与锂金属负极的兼容性，并保障了高压正极的长期稳定性。具体而言，该研究结合静电势(ESP)映射与密度泛函理论(DFT)计算，系统解析了碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)和乙醚(DEE)三种溶剂的原子电荷分布特征，以及它们与Li⁺的结合能差异(图5a-e)。

与Xu等人通过调控离子-偶极相互作用提升LiNO₃溶解度的策略不同，Wang等人另辟蹊径，通过氟化修饰调控Li⁺-偶极相互作用强度，显著优化了低温条件下Li⁺的脱溶剂化动力学，从而全面提升电池性能。该研究的核心创新在于：通过引入氟原子改变溶剂分子的电子分布，精准调控Li⁺与溶剂间的相互作用能，实现低温下快速脱溶剂化与高离子电导率的协同优化(图5f-h)。

图5. a 溶剂分子的静电势分布图。b Li⁺与溶剂分子间的结合能。c LiNO₃在不同体系中的溶解度。d 不同电解质溶剂化结构及功能的示意图。上方为EC/DEC体系，下方为PNE 1.8–0.5体系。e Li||NCM811电池在截止电压为4.3 V时的循环稳定性。f 1 M LiPF₆-EC/DEC、g 1 M LiPF₆-FEC/DEC和h 1 M LiPF₆-DFEC/DEC电解质在充放电过程中Li⁺溶剂化鞘动态演变的示意图。

3.1.3 阻断多硫化物的穿梭效应

为获取尺寸更小且分布均匀的Li₂S颗粒，一种办法是引入极性位点。通过在Li₂S与碳基质间产生偶极 - 偶极相互作用，可诱导更多成核。因硫化铜具有独特的亲硫性和导电性，故选择其作为极性位点。分子动力学模拟结果显示，Li₂S分子与硫化铜(001)和(010)晶面的相互作用能几乎是Li₂S与碳表面相互作用能的五倍。在放电过程中，与S/KB正极相比，Li₂S倾向于聚集并形成大颗粒。极性硫化铜纳米颗粒在正极处提供了充足的成核中心，促使形成小颗粒，进而实现Li₂S颗粒的均匀沉积，缩短电子和Li⁺的传输路径，促进Li₂S的转化，避免充电过程中Li₂S的残留(图6a-h)。

与Zhang等人通过提供活性位点诱导多硫化物穿梭不同，Jiang等人提出了一种新方法，即使用具有可控偶极排列的钛酸钡(BTO)作为铁电添加剂，以形成高度有序的偶极并产生相对较强的静电场，从而改善对多硫化物的捕获。在这项工作中，他们首先探索了一种新途径，即使用高双极性铁电材料——极性BTO作为锂离子电池的正极添加剂。为研究不同偶极排列程度的影响，制备了三种正极，即极化BTO、非极化BTO和非铁电钛酸锶(STO)，并对其性能进行了评估(图6i-l)。

图6. a-h. SSEs中Li₂S聚集的示意图和Li₂S与碳和CuS相互作用的分子动力学模拟。 i-l. 锂-硫电池中BaTiO₃纳米颗粒的示意图。 

3.2 辅助溶剂化行为和干扰溶剂化结构

王等人通过调控电解质成分来调节Li⁺的溶剂化结构，优化固体电解质界面(SEI)结构以实现无枝晶锂沉积。研究发现，二氟硼酸锂(LiDFOB)中缺电子的B原子与二甲氧基乙烷(DME)溶剂分子中的O原子之间发生的离子-偶极相互作用起着重要作用。这些相互作用削弱了DME分子与Li⁺之间的结合力，从而加速了Li⁺的溶解过程。基于这一发现，进一步确定离子-偶极相互作用能够驱动大量阴离子进入Li⁺周围的内溶剂化鞘层。这反过来又积极促进了富含无机成分的SEI的形成，这对于实现无枝晶锂沉积的目标至关重要(图7a-j)。

Liu等人设计了一种阴离子受体，该受体在增强硝酸根阴离子对固体电解质界面(SEI)形成的贡献方面发挥了重要作用。在FDNB电解质中，Li⁺倾向于与阴离子(即双三氟甲烷磺酰亚胺根离子TFSI⁻和硝酸根离子NO₃⁻)形成接触离子对(CIP)和聚集(AGGs)构型。相比之下，在FDN电解质中，Li⁺倾向于与二甲氧基乙烷(DME)和1,3 - 二氧戊环(DOL)等溶剂分子配位。得益于氟硼酸苯酯(FBA)分子通过形成B-O键和B-F键与双三氟甲烷磺酰亚胺根离子(TFSI⁻)阴离子之间的相互作用，TFSI⁻阴离子的还原稳定性大幅降低。这种降低有利于生成具有高机械强度、高界面能和优异电绝缘性能的固体电解质界面(SEI)，这对于确保电池的优异性能和稳定运行至关重要(图7k-o)。

Xu等人聚焦于一种涂覆有偶极作用分子的隔膜，该隔膜有效解决了锂枝晶沉积问题。对于使用PP@BTOV隔膜的锂-铜电池，在电流密度为0.5、2.0和4.0 mA cm⁻²时，成核过电位分别为37.8、55.8和177.6 mV，均低于使用纯PP隔膜时的成核过电位(38.1、159.6和231.6 mV)，这表明引入BTOV层后锂成核势垒降低。此外，使用PP@BTOV隔膜的电池在连续电镀过程中表现出更低的电镀电位，这表明所形成的固体电解质界面(SEI)具有更低的阻抗(图7p-s)。

图7. a-j. 复合物的拉曼光谱、电子极化率及锂对称电池性能。 k-l. 含FDN和FDNB电解质的性能。 p-s. 含PP和PP@BTOV隔膜的锂-铜电池相关性能。

Chen等人基于多重离子-偶极相互作用，设计出一种具有稳定溶剂化结构的耐热电解质。电解质溶剂化结构中的强配位体决定了锂在高温下的沉积行为以及固体 - 电解质界面相的演变，这对于实现更高的锂库仑效率并避免锂枝晶生长至关重要。在高温条件下，由于溶剂化过程的去溶剂化能垒容易发生无序化，会产生大量锂枝晶和死锂，同时副反应也会增多。相比之下，具有强离子 - 偶极相互作用的溶剂化结构在高温条件下能够保持稳定。锂离子相对较高的去溶剂化能垒促进了锂离子更均匀的沉积，进而提高了电池的循环稳定性(图8a-h)。

Fang等人设计了一种弱溶剂化电解质(WSE)，通过减少离子-偶极相互作用，实现了硬碳(HC)负极在超低温条件下的稳定钠存储。该电解质从室温到低温均能维持阴离子增强的溶剂化结构，从而促进富含无机物的固体电解质界面(SEI)的形成。他们采用拓扑电子密度分析方法，对比了不同电解质中钠离子(Na⁺)与偶极之间的相互作用，并利用键临界点(BCPs)来识别溶剂化结构中的电子密度分布和成键特征(图8i-l)。

图8. a-b. 不同溶剂化结构在高温下锂沉积的示意图。 c-d. 不同电解质在30 - 100°C的⁷Li核磁共振(NMR)谱图。 e-h. 基于E2电解质的Li‖LFP电池在不同温度下的性能分析。 i-l. 钠离子-偶极调控形成富含无机物SEI的机制及相关计算及循环性能。

3.3 增强双电层

鉴于偶极相互作用有助于构建稳定的双电层(EDL)，黄等人设计了一种具有强偶极相互作用的极性碳酸丙烯酯(PC)。该极性PC与四氟硼酸根阴离子配对，形成了强离子-偶极相互作用。强离子-偶极相互作用不仅能改变锌离子(Zn²⁺)的溶剂化结构，还能促进锌电极表面动态双电层的形成，抑制ZnF₂界面和碳酸盐的生成，从而促进锌离子的均匀沉积(图9a-g)。

类似地，Fan等人提出了一种自组装单分子层(SAN)调控策略。他们将少量功能性吸附剂引入电解质中，使其在镁金属表面形成自组装单分子层。通过利用吸附剂与溶剂分子间的偶极-偶极相互作用调控双电层，实现了稳定固体电解质界面(SEI)的构建。从静电势角度分析，二甲氧基乙烷(DME)和磷酸三乙酯(TEP)分子在H(位于CH₂或CH₃基团中)处电子云密度更低，而三氟甲基三甲硅烷(TFTMS)分子在F(位于CF₃基团中)处电子云密度更高(图9h-j)。

图9. a-g. 不同分子与离子间的结合能、不同体系溶剂化结构的静电势等结果。 h-j. TFTMS对溶剂作用、构建SAM机制及电压曲线。

3.4 优化SEI的结构

固体电解质界面(SEI)膜具备优异的离子电导率，可使锂离子在电池内部自由穿梭。该膜巧妙地分布于电池电极与电解质之间，既能防止电池内部化学反应过度进行，又能有效抑制金属离子枝晶的形成(图10)。因此，构建SEI层是解决枝晶问题的有效途径。电极表面的双电层及溶剂化行为决定了SEI层的成分与结构。此外，偶极相互作用有助于调控双电层环境并干扰溶剂化行为。因此，通过偶极相互作用构建有效的SEI层，有利于解决负极表面枝晶问题，进而提升电池的电化学性能与稳定性。

图10. SEI层的作用和影响。

Zhang等人借助偶极相互作用设计了一种复合固态电解质(PHMP)，该电解质构建的固体电解质界面(SEI)层可促进离子传输且具有良好的稳定性。此电解质能有效抑制金属离子枝晶的形成。通过与聚丙烯隔膜进一步合成，获得了具有柔韧性、刚性以及低玻璃化转变温度(-36.4 °C)的自支撑聚合物复合电解质(PHMP)。分子设计(聚合物超支化)验证了其有效的聚合物非晶化。此外，第一性原理模拟表明，超支化的PHMP引入了“离子-偶极”构型作为锂离子配位溶剂化笼，增强了盐的解离和离子传导，同时抑制了高压下由质子引发的分解过程(图11a-j)。

He等人提出极性基团(–COO–、–N=N–和–OH–)与金属盐之间存在偶极-偶极相互作用。弹性有机外层显著提升了去溶剂化动力学，在碳酸丙烯酯(PCA)与二甲氧基乙烷(DME)之间形成分子间氢键，且因侧链片段引入了高空间位阻。同时，这些极性基团提供了快速的侧链载流子传输通道。与传统方法相比，通过利用偶极紫外光诱导原位策略，采用简单有效的方式成功构建了具有高均匀性、高弹性和阻燃性的高性能聚合物固体电解质界面(图11k-o)。

图11. a-j. PHMP复合固态电解质合成、锂沉积形貌及电池电化学性能对比。k-o. Co-NBC@BP@PCA相关实验状态、SEI演变、原位XRD及循环性能。

3.5 提高阴极的电化学稳定性

此外，分子离子-偶极相互作用机制还能提升电池正极的电化学性能。例如，该机制可提高离子电导率并构建稳定的正极电解质界面(CEI)层，展现出独特且显著的影响(图12)。离子电导率的提升大幅降低了离子传导过程中的阻力，进而有效提高了整个正极的离子电导率。CEI层作为正极与电解质之间的“保护屏障”，其质量与电池的循环稳定性和寿命密切相关。因此，利用分子离子-偶极相互作用机制来促进正极电化学性能的提升十分必要。

图12. 分子离子偶极有助于提高阴极性能。

Zhang等人提出一种利用离子-偶极相互作用从聚合物链中释放锂离子的策略。将具有强键偶极矩(–C≡N，11.8×10⁻³⁰ Cm)的分子偶极引入聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯共聚物(PVDF - HFP)聚合物基体中，在30℃时获得了离子电导率高达5.1×10⁻⁴ S cm⁻¹的电解质。结果表明，–C≡N与Li⁺之间的强离子 - 偶极相互作用削弱了F···Li⁺之间的离子-偶极相互作用，促进了Li⁺的解离，使Li⁺从聚合物链中释放出来。此外，由ADN分子偶极、PVDF - HFP聚合物链和TFSI⁻阴离子形成了混合且不饱和的溶剂化结构，对应溶剂分离离子对(SSIP)溶剂化结构。因此，所获得的电解质实现了高离子电导率(图13a-f)。

与Zhang的研究不同，Li提出了一种新型共价有机框架策略，基于弱离子 - 偶极相互作用而非传统的强离子-离子相互作用，提出了一类无溶剂共价有机框架单离子导体(Li - COF@P)，展现出优异的电化学性能。这种化学设计实现了一类无溶剂共价有机框架单离子导，其性能优于先前报道的共价有机框架单离子导体(图13g-k)。同样地，Li等人设计了一种单离子聚合物导体(SIPC)材料，该材料不仅通过偶极相互作用设计提升了电导率，还借助丰富的功能基团锚定阴离子传输并促进阳离子迁移(图13l-p)。

图13. a-f PVDF - HFP基电解质的分子偶极相关结构、偶极矩、离子电导率及电池性能测试结果。g-k Li - COF相关材料的电池性能、化学结构、孔功能化设计及Li⁺传输机制。 l-p SIPC材料的离子-偶极作用、电化学性能、离子电导率促进因子及电池宽温循环和倍率性能。

3.6 促进坚固CEI层的形成

除了在提升正极离子电导率方面具有优势外，分子离子 - 偶极相互作用还能通过构建稳定的正极-电解质界面(CEI)层，显著提高正极的电化学性能。陈等人设计了一个体系。在离子-偶极相互作用的调控下，与聚1,3 - 二氧戊环(PDOL)体系相比，聚多巴胺(PDA)体系更易形成“弱溶剂化”结构。这种结构特征不仅将电解质的氧化稳定性提升至4.6 V(相对于Li⁺/Li)，还使锂离子迁移数达到0.6，并促进了高度稳定的富LiF的CEI层的形成。因此，配备PDA电解质的锂||镍钴锰酸锂(NCM523)电池在3.0 - 4.3 V的高电压范围内有效抑制了聚合物降解，展现出优异的循环稳定性。这项工作为高压锂离子电池体系中抗氧化聚合物电解质的设计提供了重要指导(图14a-k)。

图14. NCM/PDOL与NCM/PDA电解质相关界面结构、电极图谱、颗粒图像、元素光谱、电压曲线及电池循环性能。

3.7 防腐蚀和抑制副反应

对于金属负极而言，基于分子离子-偶极相互作用的设计也是阻止界面腐蚀、抑制副反应的有效手段。Wang等人设计了一种能够占据能级轨道的偶极相互作用结构，从而形成稳定界面，旨在保护负极并抑制副反应的发生。电荷从锂表面转移到石墨烯层，形成了锂表面带正电、氧化石墨烯层带负电的偶极结构。随后，该研究证实这种锂-氧化石墨烯(Li - GO)偶极结构能够显著稳定锂/固态电解质(SSE)界面(图15a-c)。

与Wang等人所采用的方法不同，Li及其同事提出了溶剂选择的指导原则，旨在实现高库仑效率，同时减少腐蚀。他们的研究首次揭示了溶剂分子的偶极矩和取向对锂金属的可逆性和腐蚀行为有着显著影响。具有高偶极矩的溶剂分子更易吸附在锂金属表面，且这种吸附还会影响固体电解质界面(SEI)的形成和性质(图15d-f)。

Zhang等人选择将阴离子和水分别固定在两性离子聚合物的不同位点，而非同时固定阴离子和阳离子。此方法旨在促进锌离子(Zn²⁺)的自由迁移，从而减少副反应并提升电池的电化学性能。这种固定过程可能与两性离子聚合物的偶极矩有关。在他们的研究中，通过原位聚合合成两性离子聚合物，以促进其与水系锌金属电池(AZMB)中锌箔的紧密接触(图15g-j)。

图15. a-c. Li/G界面电荷密度、Li - GO结构能隙变化及两种电池循环性能。d-f. 不同分子与锂金属吸附能、锂金属浸泡照片及不同电解质中锂金属的库仑效率。 g-j. DMAPS在锌负极原位聚合、电解质中水形式、产氢量及对称电池循环性能。

IV 结论与展望

金属枝晶生长、正极离子电导率低、电解质降解、负极腐蚀以及寄生副反应等长期存在的难题，持续阻碍着高能量电池的实际应用。正如本综述所讨论的，分子和离子偶极相互作用已成为解决这些限制的有效策略，为调控界面化学、调节离子传输以及增强电化学稳定性提供了一个多功能平台。本综述全面总结了偶极相互作用有助于缓解这些问题的作用机制，以及其在不同电池化学体系中的最新应用进展。尽管已取得显著进展，但偶极相互作用在高能量电池系统中的系统理解和广泛应用仍处于早期阶段。为加快发展进程，需要进一步开展研究工作，以拓展设计空间、优化偶极功能并深入探究作用机制。

图16. a. 分子离子偶极在高能量电池中实现实际应用的一些展望。 b. 高能量电池中分子离子偶极的研究重点。

作者简介

Jong-Min Lee

本文通讯作者

南洋理工大学 副教授

▍主要研究领域

电化学、绿色化学和纳米技术。

▍主要研究成果

Jong-Min Lee，新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院副教授、博士生导师，博士毕业于哥伦比亚大学化学工程系。曾在劳伦斯伯克利国家实验室化学科学部和加州大学伯克利分校化学工程系从事博士后研究。目前以通讯/第一作者在Chem. Soc. Rev., Nat. Energy, Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Joule, Adv. Energy Mater., ACS Nano, ACS Catal.等国际权威学术期刊发表论文200余篇，H-Index 66，入选2023年科睿唯安全球高被引科学家，全球前2％顶尖科学家榜单。担任Adv. Powder Mater.期刊编委。

▍Email：lee@dgist.ac.kr

郝振东

本文通讯作者

南京工程学院 讲师

▍主要研究领域

主要从事新能源材料与器件方面的研究。

▍主要研究成果

郝振东，博士毕业于北京工业大学。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、江苏省自然科学基金青年基金项目、江苏省青年科技人才托举工程和南京工程学院引进人才基金项目。参与国家自然科学基金面上项目、北京市自然科学基金面上项目和北京市自然科学基金联合项目。

▍Email：haozhendong@njit.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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