《Journal of Energy Storage》：A wide-range input low-ripple bidirectional DC/DC converter for energy storage system integration with DC microgrids
编辑推荐：
锂金属电池电解质添加剂通过四类机制调控界面化学：可分解型快速构建稳定界面层，悬浮型与缓释型持续优化溶剂结构及抑制枝晶，电极吸附型实现长效非消耗性界面稳定。研究提出系统分类框架，揭示四类添加剂在抑制活性锂损失、提升循环寿命中的协同作用，为人工智能辅助理性设计提供理论指导。
王明旭|白宇|李建勇
吉林师范大学机械工程学院，中国吉林132013
摘要
添加剂诱导的界面化学对于推动下一代锂金属电池的发展至关重要。本文系统地将电解质添加剂分为四类：可优先分解型、悬浮型、缓释型以及吸附型添加剂，并阐明了它们在调节溶剂化结构、促进稳定的固体电解质界面形成、抑制锂枝晶生长以及重新激活惰性锂以提升循环稳定性和安全性方面的作用机制。分析表明，这些添加剂类别具有独特但互补的功能。虽然可优先分解型添加剂被广泛使用，但存在消耗问题；悬浮型和缓释型添加剂能够实现长期的界面改性，但在分散性和释放动力学方面面临挑战；而电极吸附型添加剂通过非消耗性吸附作用表现出优异的长期稳定性。未来的设计策略应强调目标功能性、持久的有效性以及智能可编程性，并借助人工智能辅助的理性设计。本研究最终旨在为开发高性能锂金属电池电解质提供系统的化学视角和实用指导。
引言
随着全球能源转型的加速以及便携式电子设备、电动汽车和储能电网的快速发展，锂金属电池（LMBs）作为一种关键技术途径应运而生，能够突破传统锂离子电池的能量密度限制，实现下一代高比能量存储系统，这得益于其超高的理论比容量（3860 mAh g?1）和极低的电化学势[1]。然而，锂金属负极的实际应用面临多重挑战：不受控制的锂枝晶生长可能穿透隔膜并引发短路；固体电解质界面（SEI）的动态不稳定性导致持续的副反应和活性锂损失；电解质分解及界面兼容性下降进一步加剧了循环寿命的衰减[[2], [3], [4]]。这些因素共同限制了LMBs的商业化进程。因此，通过界面化学调控实现锂金属负极的稳定、高效和长寿命运行已成为全球电池研究的核心科学挑战[5]。
在电解质调控策略中，电解质添加剂工程因其低成本、优异的工艺兼容性和灵活的机制设计而脱颖而出[6]。传统的添加剂研究主要集中在筛选单一功能分子并验证其性能，例如成膜添加剂、阻燃剂和导电盐[[7], [8], [9]]。然而，缺乏系统的分类框架和对添加剂机制的深入化学理解。现有的分类系统通常基于化学属性（例如无机盐与有机分子）或表面功能（例如成膜与阻燃性）[10,11]，未能揭示添加剂在调节液相溶剂化结构和设计界面反应路径中的内在关联和协同效应。这一限制也阻碍了具有多功能性的下一代添加剂分子的理性设计[12]。此外，关于添加剂在循环过程中的消耗动态、空间分布异质性以及与电解质组分的兼容性等关键科学问题仍未得到充分解决[13,14]，这在添加剂工程的实用化中形成了“知道什么但不知道为什么”的瓶颈[15]。
近期原位表征技术（如冷冻电子显微镜、原位光谱学）[16,17]、分子动力学模拟[18]和机器学习[19]的进步使得能够对电解质中添加剂的动态行为及其界面化学调控机制进行分子尺度分析。然而，仍存在显著的研究空白：（1）缺乏基于机制的系统分类框架，导致不同添加剂在调节液相溶剂化结构和界面反应中的独特作用和互补关系不明确[20]；（2）对添加剂分子的结构-性质-界面效应关系的理解不足，限制了明确的设计原则[21,22]；（3）多添加剂协同效应的化学本质和调控策略缺乏系统性的阐述，阻碍了高性能复合添加剂的发展[23,24]。这些空白限制了从“经验筛选”到“理性设计”的跨越。
为克服这些限制，本文建立了一种基于机制的电解质添加剂分类框架，将其分为四类功能化学调节剂：可优先分解型、悬浮型、缓释型和电极吸附型添加剂。该框架超越了表面分类的局限性，关注分子动态行为和界面化学调控机制，阐明了每种添加剂类型如何通过其独特的分子结构和物理化学性质定向调节液相溶剂化结构（例如离子-溶剂-添加剂复合物的形成）和电极界面反应（例如SEI/CEI组成的演变、锂沉积形态的控制），从而影响综合电化学性能。采用这种以化学为中心的整合框架，本研究深化了对添加剂的机制理解，明确了关键的科学挑战和研究空白，并为推进高能量密度、长寿命LMBs的实用化提供了理论指导和实践方向。
在本文提出的分类框架中，这四类添加剂并非孤立存在，而构成了一个逻辑上渐进且功能互补的集成调控系统。可优先分解型添加剂通过其优先反应迅速构建初始稳定界面，为解决界面问题奠定基础；悬浮型和缓释型添加剂侧重于长期维持功能：前者通过固液相互作用持续调节体相溶剂化结构，后者通过载体实现活性物质的持续供应，以解决添加剂消耗和“死锂”积累等问题；电极吸附型添加剂则通过非消耗性分子吸附实现持久的、定向的界面稳定。这种分类逻辑遵循从“快速构建”到“长期维护”，从“体相调控”到“精确界面控制”的渐进路径。这四类添加剂的机制和应用场景相互关联、互补，共同服务于构建稳定高效锂金属电池界面的最终目标。因此，本综述旨在有机整合这四类添加剂，阐明它们在解决锂金属电池界面挑战中的协同关系和系统作用，并形成一个连贯的、基于机制的逻辑框架。
部分摘录
可优先分解型添加剂的作用
在锂金属电池的添加剂配方系统中，具有特定官能团（如硝酸根离子NO??、酰胺基团和碳-氟键C?F）、特定元素（如硼、氟和氮）以及独特性质（如氧化还原电位）的可优先分解型添加剂占据主导地位，并已在锂金属电池领域得到广泛应用[[21], [22], [23], [24], [25]]。这些可优先分解型添加剂的一个显著特点是
悬浮型添加剂的作用
目前，传统的可优先分解型添加剂在应用于锂金属电池等电化学系统时存在许多与消耗和泄漏相关的安全问题。这些问题不仅可能影响电池的性能稳定性，还带来潜在的安全风险，限制了其大规模应用和长期可靠性。为有效缓解添加剂消耗问题，研究人员提出引入不溶性物质
缓释型添加剂的作用
缓释型添加剂作为一种创新材料，可以被视为“下一代”可优先分解型添加剂。其独特的设计概念是利用不溶性壳层作为载体装载活性添加剂，并采用特定的缓释机制，在长时间循环过程中实现高浓度添加剂的持续供应。这种设计方法突破了传统添加剂的许多应用限制，提供了新的电极吸附型添加剂的作用
在电池系统的研发过程中，电极与电解质之间的界面性质对电池的整体性能和稳定性起着关键作用。电极吸附型添加剂作为改善这一界面的关键物质，可根据其不同的作用机制主要分为可优先分解型添加剂和吸附型添加剂。可优先分解型添加剂在阳极和阴极形成稳定的界面相总体评估
作为提升锂金属电池性能的极其实用策略，电解质成分调控在电池研究领域具有重要地位。自20世纪70年代以来，碳酸乙烯酯（EC）因其优异的物理化学性质而被广泛用作锂金属电池电解质系统中的主流共溶剂[110,111]。在随后的几十年里，电解质的研究方向相对有限，主要集中在
结论
- (1)
作为调节锂金属电池（LMBs）界面化学的核心策略，电解质添加剂通过优化溶剂化结构、促进稳定的界面形成、抑制枝晶生长和重新激活惰性锂，显著提升了循环稳定性和安全性。当前的添加剂系统已从单一功能分子发展为多机制协同复合体系；然而，仍存在功能限制、消耗性和兼容性等问题
CRediT作者贡献声明
王明旭：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。白宇：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。李建勇：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念构思。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：李建勇确认所有重复使用的图表均已获得许可。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了吉林科技发展计划（20230203197SF）和吉林科技发展计划（20240304199SF）的支持。
