Qiang Wang, Di Tian, Zhiguo Qu*
Nano-Micro Letters (2026)18: 231
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02075-1
1. 揭示了水系电解液的输运特征受环境重构的离子关联网络调控。
2. 以能斯特–爱因斯坦关系的偏离为描述符,电解液输运随盐浓度、热效应和纳米限域界面的变化呈现三重层级规律。

离子是能量转换与储存过程中的基本载流子,通过改变离子电荷密度,可以拓展电解液的应用场景。稀水系电解液(DAE)广泛应用于离子分离、纳米发电机和离子传感等领域。相比之下,高浓度水系电解液(HCAE)中盐在质量和体积上均超过溶剂,因而具有独特的离子与溶剂赋存状态。凭借较高的能量密度和电化学稳定性,这类电解液在离子电池、超级电容器和电催化领域具有良好的应用前景。准确评价高浓度水系电解液的结构–输运关系,对于电化学能源器件中的电解液设计至关重要。
与稀电解液相比,高浓度水系电解液凭借增强的离子输运及离子关联结构,在能量转换与储存中展现出更高的能量密度和稳定性。然而,在宽温域和纳米限域环境下,其内在的结构–输运关系仍缺乏深入认识。针对这一问题,西安交通大学能源与动力工程学院、热流科学与工程教育部重点实验室屈治国教授团队将实验表征与具有亚纳米分辨率的第一性原理分子动力学模拟相结合,揭示了环境因素塑造的电解液结构与输运特征。研究发现,超高浓度会改变电解液的电子态,并形成包含大量聚集体的离子关联网络。这些变化降低了自由水含量和氢键网络连通性,使电导率显著偏离能斯特–爱因斯坦(NE)关系的预测值。热效应可通过削弱离子关联减轻这种偏离。纳米限域界面使高浓度水系电解液各组分呈现振荡衰减的分布和非均一取向,从而重构离子关联网络,并产生局域化的NE关系偏离。热效应与界面约束的协同作用进一步调节上述输运行为。以NE关系的偏离为描述符,研究将环境重构离子关联网络所调控的高浓度水系电解液输运,归纳为由离子浓度、热效应和限域程度决定的三重层级变化。这一框架可推广至不同电解液,为电化学能源器件中的电解液评价提供局域视角。

图1. 稀水系与高浓度水系电解液的结构对比。(a)稀电解液体相;(b)高浓度电解液体相;(c)纳米限域界面处的高浓度电解液。
II 实验与原子尺度模拟衔接,构建结构–输运证据链

图2. 研究框架:体相电解液实验表征、体相第一性原理分子动力学模拟及纳米限域界面模拟。

图3. 体相水系电解液的环境依赖光谱特征。(a)样品;(b)红外光谱;(c)拉曼光谱;(d)室温¹H脉冲场梯度核磁共振谱。

图4. 体相电解液的环境依赖输运性能。(a)二维DOSY谱;(b)实验水扩散系数;(c)实验电导率;(d)模拟构型;(e)模拟水扩散系数;(f)模拟电导率及其分项贡献;(g)输运规律汇总。
图5. 浓度依赖的体相离子关联网络。(a)静电势;(b)投影态密度;(c)径向组分分布;(d)溶剂化构型;(e)空间分布函数;(f)网络示意;(g)网络快照。
温度提供了另一种调控手段。图6f显示升温减弱离子周围的电荷振荡,图6g中离子对解离能垒随之降低,图6h中的氢键数量也发生变化。对应地,图6i显示自由水比例从270 K时的4.36%,增加到300 K时的14.10%和330 K时的21.56%,表明部分束缚水随聚集体松解而释放。图6j由此归纳出热效应的作用路径:增强热运动、削弱离子关联、提高扩散与电导率,并减轻NE关系的偏离。
图6. 环境调控体相离子关联网络的定量分析。(a)浓度依赖空间电荷;(b)离子对解离能垒;(c)氢键数;(d)水状态占比;(e)浓度调控机制;(f)温度依赖空间电荷;(g)解离能垒;(h)氢键数;(i)水状态占比;(j)温度调控机制。
这种组分与取向的耦合,使局域微环境呈现层次差异。图7f的空间电荷密度由区域Ⅰ的负值转为区域Ⅱ的正值,并在区域Ⅲ趋近电中性;图7g中不同配位状态水的分布、图7h中两类氢键的密度变化,则进一步反映水合与氢键网络的重新组织。图7i将这些特征整合为离子关联网络和电双层结构示意,图7j的网络快照提供原子尺度的直观对应。最终,图7k将结构层级转化为输运层级:从区域Ⅰ到区域Ⅲ,HR依次为1.53、1.30和1.20,t₊依次为−0.58、−0.24和0.04,说明NE关系的偏离在近表面最强,并随界面作用减弱而逐步缓解。
图7. 室温界面的离子关联网络与输运。(a)界面构型;(b)电子密度差;(c)组分密度;(d)阴离子取向;(e)水偶极取向;(f)空间电荷;(g)水状态分布;(h)氢键密度;(i)网络与电双层示意;(j)网络快照;(k)分区域电导率。
这种改变进一步传递至电荷与溶剂网络。图8d中,升温降低空间电荷振荡幅度;图8e显示近表面共同配位水减少、自由水增加;图8f则揭示阴离子–水与水–水氢键密度的重新分配。图8g将这些结构变化与输运结果对应起来:区域Ⅰ的HR从270 K时的1.59降至330 K时的1.21,t₊从−0.99升至−0.01;区域Ⅱ和Ⅲ也表现出相同方向的调节。升温因而能够缓解界面强化的离子关联,但不同空间区域仍保留各自的输运特征。
图8. 温度依赖的界面离子关联网络与输运。(a)组分密度;(b)硝酸根取向;(c)水偶极取向;(d)空间电荷;(e)不同状态水的密度;(f)氢键密度;(g)分区域电导率。
图中标注的三条路径分别对应浓度依赖、温度依赖和限域依赖的层级变化,其中Ⅰ至Ⅲ代表由近表面到远离表面的不同区域。研究还通过LiTFSI水系电解液的补充模拟检验了这一框架的可推广性。其意义在于提示电解液评价不能仅将整个空间视为均一整体,而应把环境重构的离子关联网络与局域输运性能相联系。
图9. 高浓度水系电解液输运的三重层级规律。
在界面处,高浓度水系电解液的离子关联网络进一步重构,使组分分布呈现振荡衰减,并形成位置依赖的取向。因此,NE关系的偏离具有空间层级性,且在最靠近表面的区域最为显著。基于上述发现,研究以NE关系的偏离为描述符,归纳出依赖浓度、热效应与限域因素的高浓度水系电解液输运三重层级规律。这种层级特征可拓展至其他水系电解液,将环境重构离子关联网络的微观结构与水系电解液的宏观输运性能相连接。本研究从具有亚纳米分辨率的局域视角深化了对离子输运的理解,为电化学能源器件中的电解液优化和运行条件调控提供了指导。
屈治国
本文通讯作者
西安交通大学 教授
高效传热与节能技术、电化学储能与氢燃料电池、太阳能高效利用、电子器件热管理。
▍主要研究成果
西安交通大学教授、博士生导师,现任能源与动力工程学院热流科学与工程系主任。1999年获西安交通大学学士学位,2005年获该校工程热物理博士学位并留校任教,2012年聘任为教授。曾赴美国先进传热公司和宾夕法尼亚州立大学开展访问研究。长期围绕能量高效利用、传热传质与电化学能源系统开展研究。
▍Email:zgqu@mail.xjtu.edu.cn
撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部
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