【研究背景】

随着交通电气化加速推进，高能量密度锂离子电池的快充能力成为核心瓶颈。目前电动车完全充电所需时间比传统燃油车补能慢 20–100 倍，而要实现全面替代，电池必须在 15 分钟以内完成 >4C 快充，且不能损失能量密度。传统研究主要从缩短离子迁移路径入手，例如减薄电极、增加孔隙率或降低曲折度，但这些方法会减少活性物质含量，从而牺牲能量密度，难以兼顾“高能量 + 快充”双目标。本研究指出，真正限制快充的关键因素之一是电渗拖拽导致的溶剂耗尽。在高倍率充电时，锂离子从正极迁出并携带 3–4 个溶剂分子，使厚电极内部出现明显溶剂损失，电解液连续性被破坏，从而产生额外的电渗拖拽过电位（图1A）。研究团队利用中子成像首次直观呈现了这一过程，并设计了二氟化电解液，弱化锂离子溶剂化、增强阴离子溶剂化，从而减少溶剂拖拽并促进溶剂回补（图1B）。最终，该体系使能量密度 252 Wh·kg^-1 的石墨||NMC811 软包电池在 12.8 分钟内充至 80%，为高能量快充电池提供了新思路。

图1：锂离子电池中电解液电渗拖拽机制及二氟甲基电解液设计示意图

相关研究成果在国际顶级期刊Science发表题为《 Electrolytes that reduce electro-osmotic drag improve fast charging of lithium-ion batteries》的研究论文，Chang-Xin Zhao为论文第一作者，通讯作者是来自美国马里兰大学的王春生教授。(DOI: 10.1126/science.adv1739)

【研究内容】

1. 电渗拖拽引起的溶剂迁移与耗尽的可视化与模拟

本研究利用中子成像和有限元模拟直观揭示了快充过程中多孔电极的溶剂迁移与耗尽机制（图 2）。在高倍率充电下，锂离子从电极迁出并携带多个溶剂分子进入电解液主体，导致厚电极孔隙内溶剂耗尽，从而形成电渗拖拽过电位。通过对放电、快充、静置和反向电流状态的中子信号对比，确认电渗拖拽是溶剂耗尽的主要原因（图 2A）。有限元模拟显示，当充电倍率超过 4C 时，溶剂补给速率无法跟上电渗拖拽流，孔隙中溶剂逐渐减少并最终耗尽，表明电渗拖拽可能成为厚电极快充的主要限制因素。

图2：电渗拖拽引起的溶剂迁移

2. 碳酸酯电解液中电渗拖拽的热力学特性

通过 DART-MS 实时质谱测定了锂离子在碳酸酯电解液中的电渗拖拽系数。实验显示，锂离子迁移过程中会携带 EC/DEC 溶剂分子，从而形成电渗拖拽流（图 2D、2E）。Li⁺ 对 EC 的电渗拖拽系数为 2.90，对 DEC 为 0.99，与它们对锂离子的不同配位能力一致，并且与质子在水中的拖拽系数同量级。这一结果明确量化了锂离子迁移过程中溶剂被拖拽的程度，为理解快充时厚电极溶剂耗尽机制提供了关键数据。

3. 多孔电极中的电渗拖拽过电位

在厚多孔电极中，锂离子迁移过程中会拖拽孔隙内的碳酸酯溶剂，导致溶剂耗尽，从而形成电渗拖拽过电位（图 3A、3B）。当溶剂回流速率无法跟上锂离子迁移速度时，过电位成为限制快充的关键因素，尤其在充电倍率超过临界值 C₁ 时更明显。溶剂耗尽时间由电解液性质（如扩散系数）和电极结构参数（孔隙率、曲折度、面容量）共同控制，呈多参数调控特性。通过降低活性物质负载、增加孔隙率和降低曲折度重构电极，可减小受电渗拖拽影响的区域，提升最大充电速率。实验显示，该过电位是一种由传质限制引起的极化现象，区别于传统浓度极化，并在不同电极类型中均可观察到，对厚电极快充性能的理解至关重要。

图3：厚电极中的电渗拖拽过电位

4. 通过电极重构降低电渗拖拽过电位

电极重构可显著影响厚多孔电极的电渗拖拽过电位。实验和模拟表明，增加活性物质负载或电极致密化会加剧溶剂耗尽，提升过电位，而降低负载、增加孔隙率或减少曲折度可减轻这一影响。具体来说，图 3C显示不同负载下溶剂耗尽时间和斜率变化；图 3D的有限元模拟表明深宽比高的孔隙更易溶剂耗尽；图 3E显示压实后电极孔隙耗尽加剧，直线斜率降低；图 3F显示孔隙率增加可显著提高溶剂耗尽的临界充电速率。系统调控颗粒尺寸可调整孔径，但在小于 20 μm 时，孔隙率仍为主控因素。尽管这些方法能改善快充性能，但会牺牲电池能量密度，凸显厚电极结构对电渗拖拽过电位的决定性作用。

5. 通过电解液设计降低电渗拖拽过电位

通过电解液设计可以有效降低电渗拖拽过电位，从而改善厚电极快充性能。研究采用乙酸乙酯为模型溶剂，通过二氟取代实现了增强阴离子溶剂化并削弱锂阳离子溶剂化的策略。具体来说，1H NMR 显示 F2EA 中二氟甲基氢原子电子云密度低，可作为氢键供体与阴离子形成氢键，增强阴离子溶剂化（图 4A–C）；质谱分析显示 F2EA 中锂阳离子与溶剂的配位数减少（图 4D）；FTIR 结果进一步表明 F2EA 中碳基团与 Li⁺ 的配位比例降低，配位强度减弱（图 4E）；随着氟化程度增加，锂离子溶剂化持续减弱（图 4F）。这一设计策略不仅减少锂离子驱动的溶剂正向迁移，还增强溶剂回补，从而有效抑制电渗拖拽过电位。

图4：快充用二氟化电解液设计

6. 石墨||NMC811 电池使用二氟化电解液后的快充性能

通过二氟化电解液（F2EA:F2EMC，1.2 M LiFSI）策略，可同时增强阴离子溶剂化、减弱锂离子溶剂化，从而平衡电渗流与扩散流，抑制正极溶剂耗竭和负极溶剂积累。F2EA 粘度低、F2EMC 有利界面形成，组合使用兼顾快充性能与界面稳定性。高负载 NMC811||石墨电池测试显示，二氟化电解液显著提升快充能力，防止锂枝晶生成，循环稳定性高（250 次循环容量保持 >80%）。同时 pouch 电池实验（Fig. 4G–I）显示，12.8 分钟达 80% SOC、14.7 分钟达 90% SOC，并保持 200 次快充循环稳定，证明该电解液设计可在不牺牲能量密度的前提下实现高性能快充。

【讨论与总结】

本研究发现，阳离子–溶剂与阴离子–溶剂相互作用不仅影响导电性和界面化学，更在高倍率性能中主导溶剂迁移与重新分布。通过二氟化溶剂分子，调节阳离子和阴离子溶剂化平衡，可显著抑制电渗拖拽过电位，同时保持能量密度。该策略展示了微调溶剂结构对高性能电解液设计的重要性。未来，利用氢键、水化效应及 π 共轭等超分子概念，可通过定向非共价相互作用优化溶剂化；非化学手段如声学调制，也有望维持厚、多孔电极中的溶剂连续性，减缓耗竭。电渗拖拽过电位概念不仅适用于锂离子电池，也可推广至其他依赖离子驱动溶剂输运的体系，如超级电容器、电解精炼及膜分离，提供了广阔的设计空间与应用潜力。

文章来源：能源学人

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