锂离子电池电解液电化学老化过程中的基因毒性研究：聚焦磺酸内酯类添加剂的毒理学评估

《Archives of Toxicology》：Effects of electrochemical ageing of lithium-ion battery electrolyte on its in vitro genotoxicity: a special focus on sultones

本研究针对锂离子电池中磺酸内酯类添加剂（PS、PES、DTD）在电化学老化过程中的毒理学风险，首次系统评估了电解液在不同循环阶段（原始状态、2次循环、200次循环）的基因毒性和致突变性。通过体外微核试验（HepG2细胞）和细菌回复突变试验（Ames试验），发现DTD的毒性显著低于PS和PES，且老化过程可降低PES和DTD的毒性。研究强调电池材料的毒理学评估需考虑老化过程，为安全添加剂选择提供了关键依据。

　　

随着全球能源转型的加速，锂离子电池作为清洁能源存储的核心部件，其应用场景从便携式电子设备扩展到电动汽车和电网储能领域。然而，在追求更高能量密度和更长循环寿命的同时，电池材料的生物安全性问题却长期被忽视。特别是电池中使用的液态有机电解质，含有多种功能性添加剂，这些化学物质在电池充放电过程中会发生复杂的电化学转化，其降解产物的毒理学特性更是未知领域。其中，磺酸内酯类添加剂如1,3-丙烷磺酸内酯（PS）、丙烯磺酸内酯（PES）和1,3,2-二氧硫杂环戊烷-2,2-二氧化物（DTD）被广泛用于提升电池界面稳定性，但它们的潜在健康风险，尤其是在实际使用条件下的毒性演变，构成了电池全生命周期安全管理的一个关键科学问题。

传统毒理学评估通常聚焦于原材料的危害分类，例如PS已被国际癌症研究机构（IARC）列为2A类可能致癌物。但电池在实际工作中，电解质成分处于持续的电化学应力下，添加剂会参与电极界面膜的形成或分解为新的化合物。这种动态变化是否会导致毒性增强、减弱或转化，是现有研究未曾解答的。此外，在电池制造、回收乃至事故场景中，人类有可能直接接触电解质液体，这使得理解其真实毒理学特性变得至关重要。此前的研究多集中于电极材料，而对电解质混合物，特别是老化后电解质的系统毒理学数据几乎空白。因此，揭示电解质在模拟真实使用条件下的毒理学行为，对于制定更科学的电池安全标准、保护职业健康以及推动绿色电池技术的发展具有紧迫的现实意义。

为解决上述问题，由Elisabeth Christine Muschiol、Louisa Sophie T?lke等研究人员组成的研究团队在《Archives of Toxicology》上发表了一项开创性研究。该工作首次将锂离子电池电解质的毒理学评价与其电化学老化过程紧密结合，系统追踪了三种常见磺酸内酯添加剂（PS、PES、DTD）从原始状态到长期循环后其基因毒性和致突变性的变化规律。研究不仅关注纯添加剂，还重点分析了完整电解质配方在不同老化阶段（原始、2次循环、200次循环）的毒性，并考察了推测的降解产物。通过综合运用体外微核试验和细菌回复突变试验，研究旨在回答几个核心问题：电化学老化是否会改变电解质的毒性特征？不同添加剂在老化过程中的毒性演化规律有何异同？从毒理学角度看，是否存在更安全的添加剂选择？

为开展本研究，作者主要应用了几项关键技术方法。样本来源于商业化NMC622||人工石墨软包电池，通过精确控制的充放电协议（0.2 C形成循环，1 C长期循环）模拟不同老化阶段，并在严格控水控氧的 glovebox 中提取老化电解液。基因毒性评估采用两种版本的体外微核试验：一是基于荧光显微镜观察的OECD标准方法（使用HepG2细胞），二是基于流式细胞术的高通量方法，后者可同时获得细胞周期分布数据。致突变性评价则采用细菌回复突变试验（Ames波动试验），使用了五种鼠伤寒沙门氏菌菌株（TA97a, TA98, TA100, TA1535, TA1537）以检测碱基对置换和移码突变。所有实验均设定了严格的阴性对照和阳性对照，并遵循国际测试指南（如OECD TG 487和TG 471），确保数据的可靠性和可比性。

基因毒性效应分析

荧光显微镜微核试验结果显示电解质基质本身无显著基因毒性。 该试验发现，不含添加剂的纯电解质（EL_LP57）在任何老化阶段均未诱导微核频率显著增加。然而，含有PS或PES的电解质样品显示出基因毒性迹象。具体而言，循环2次后的EL_PS（500 ppm, ~80 μM）和原始状态的EL_PES（500 ppm, ~80 μM）均引起了微核频率的显著升高，且细胞毒性处于可接受水平，从而确认了其基因毒性。相比之下，含有DTD的电解质（EL_DTD）在所有条件下均未表现出基因毒性。推测的降解产物（如1-PS）也未检测到基因毒性。这些结果表明，观察到的基因毒性主要源于添加剂本身，而非电解质溶剂或盐。

流式细胞术微核试验证实了PS和PES的基因毒性潜力，并提供了细胞周期数据。 流式细胞术方法由于其高通量和客观性，进一步验证了上述发现。纯PS在400 μM浓度下表现出明显的基因毒性。虽然含PS的电解质样品也显示基因毒性，但常伴随较高的细胞毒性，这可能掩盖了特异性基因毒性效应。对于PES，流式结果与显微镜观察一致，原始EL_PES在500 ppm时具有基因毒性，而老化后的样品（2次和200次循环）毒性减弱或消失，提示电化学老化对PES有解毒作用。DTD再次被证明在所有测试条件下均无基因毒性。细胞周期分析显示，PS（≥400 μM）和PES（≥200 μM）可引起G₂/M期阻滞，这是DNA损伤剂的典型反应，而DTD对细胞周期无明显影响。

致突变性评估

Ames试验揭示了不同添加剂的致突变性谱及其在老化过程中的演变。 致突变性测试提供了更深入的机制见解。不含添加剂的EL_LP57在所有菌株中均无致突变性。三种添加剂的致突变性强弱顺序为：PS > PES > DTD。

PS主要引起碱基对置换突变，且其毒性不随老化而减弱。 PS在TA100和TA1535菌株（检测碱基对置换）中诱导了剂量依赖性的回复突变，而在检测移码突变的菌株（TA1537, TA98）中作用微弱。值得注意的是，EL_PS在所有老化阶段（原始、2次、200次循环）都保持了相似的致突变强度，其推测降解产物1-PS则无致突变性。这表明PS在电池循环过程中并未被充分降解或完全融入电极界面膜，而是大量残留在电解液中，持续构成突变风险。

PES的致突变性随电池老化而显著降低。 PES同样主要诱导碱基对置换突变，但其致突变强度低于PS。一个关键发现是，EL_PES的致突变性随着循环次数的增加而明显下降，200次循环后已基本检测不到。这表明PES在电化学过程中更容易被降解或消耗。此外，原始EL_PES在高浓度下也显示出一定的移码突变诱导能力，但此效应同样随老化而减弱。其推测降解产物AS（烯丙基磺酸盐）无致突变性。

DTD的致突变性最弱，且在老化初期即有所降低。 纯DTD在测试浓度范围内无致突变性。然而，EL_DTD在对应较高添加剂浓度的电解质样品中显示出弱的碱基对置换突变诱导活性，这可能与电解质基质的稳定作用或协同效应有关。与PES类似，其致突变性在2次循环后即大幅下降，但200次循环后仍残留微弱活性。DTD未引起移码突变，其推测降解产物ES（硫酸乙酯）也无致突变性。

研究结论与意义

本研究系统阐明了锂离子电池电解质中磺酸内酯添加剂的毒理学特性如何受电化学老化过程的深刻影响。核心结论指出，从毒理学角度看，DTD是明显优于PS和PES的更安全选择。它不仅本身基因毒性和致突变性更低，而且在电池老化过程中表现出更好的解毒趋势。相比之下，PS的毒性最为持久，即使在长期循环后仍保持显著的致突变性；PES虽有一定毒性，但可通过电化学老化实现有效降解。

该研究的重大意义在于首次将电池材料的实际使用条件（电化学老化）引入了毒理学评估框架，挑战了仅基于原材料分类进行风险管理的传统范式。研究结果明确提示，未来的电池安全标准和绿色设计策略必须考虑材料在整个生命周期内的毒理学演变。对于电池制造商和回收行业，此研究为选择生物相容性更好的电解质添加剂提供了直接的科学依据，有助于降低职业暴露风险和环境影响。同时，该工作所建立的老化电解质毒理学评价方法也为评估其他电池化学体系的生物安全性奠定了基础。总之，这项研究在能源材料学与毒理学之间架起了一座重要的桥梁，强调在推动技术革新的同时，对潜在健康风险的前瞻性评估是不可或缺的一环，为实现真正可持续的电池技术发展贡献了关键知识。