可充电铝、钠、镁离子电池等新体系二次电池技术的不断发展，为大规模储能应用提供了新的选择。离子液体基电解质由于其高离子电导率、宽电化学窗口和超低挥发性等特性，受到了广泛的关注，在上述二次电池系统中也有良好的应用前景。近日，吴锋院士团队总结了离子液体基电解质在铝、镁、钠离子电池中的发展现状，并指出了其目前的局限与挑战以及未来的发展方向。

开发原料丰富、成本低廉的新型二次电池技术对大规模储能应用极为重要，特别是可充电的铝、钠、镁离子电池系统已受到广泛的关注。目前，这些新型二次电池体系的研究还处于发展阶段，探索安全可靠的电解质是一大难题。离子液体基电解质由于具有超低挥发性、高离子导电性、良好的热稳定性、低可燃性、宽的电化学窗口和可调节的极性和碱性/酸性等独特性能，对开发安全、不易燃、使用温度范围广的储能器件具有很好的吸引力和发展前景。该综述总结了离子液体基电解质在铝、钠、镁等新型二次电池中的应用进展，包括基本特性、界面特性和反应机理。对于铝离子电池，还重点介绍了离子液体基电解质与电极之间的界面反应、铝的储存机理、电解质成分的优化以及解决电解质腐蚀和电池系统副反应问题的策略。最后，对离子液体基电解质在铝、钠、镁离子三种电池体系中的发展方向作了展望。

图1.  离子液体（ILs）的种类、应用、特性和组成。

(一) 离子液体基电解质用于铝离子电池（AIBs）

图2. 金属铝和AlCl3/[BMIM]Cl离子液体基电解质的基本性质。(A)电化学中常见金属元素的比容量、标准反应电位、地壳中元素的丰度和阳离子半径；(B)循环伏安图；(C)电导率-温度曲线；(D)AlCl3/[BMIM]Cl离子液体电解质的Arrhenius拟合曲线。

1. 离子液体电解质用于铝离子电池的基本化学特性

2. 基于离子液体的电解质/电极界面相互作用

在以氯铝酸盐离子液体电解质为基础的铝离子电池中，阴极与电解质之间的界面反应包含三个过程，即：(1)阴极表面附近多阴离子的解离过程；(2)解离的多阴离子从电解液向阴极表面迁移；(3)阴极接受电子，形成外部电路。在阳极界面一侧，固体电解质界面(SEI)是阳极反应的关键因素，关于其组成和结构的更详细的研究还需要进一步进行。树枝状物的铝枝晶的形成被认为是金属阳极最不利的问题，目前关注铝枝晶形成的报道较少。铝阳极表面的天然氧化铝膜可以有效抑制铝枝晶的生长，稳定阳极与电解液之间的界面。

3. 含AlCl3的咪唑基离子液体电解质的商业化前景

常用的含AlCl3的咪唑基离子液体价格昂贵，具有腐蚀性、对水和空气敏感、电化学窗口狭窄等特点，在AIBs的商业应用中存在着一些困难。因此，迫切需要一种新型的安全、无毒、稳定的替代电解质，而且这种电解质必须能够实现快速、高效的铝剥离/沉积反应。此外，合适的电解液必须具有适当的腐蚀性，能够溶解铝阳极表面的Al2O3钝化膜，使其具有电化学活性，同时还必须避免对正极材料、集流器、电池壳的破坏性腐蚀，从而抑制副反应的发生。电解质体系的探索和发展，将推动先进的铝二次电池的发展。

虽然离子液体基电解质在镁离子电池方面也进行了探索，但目前的研究仍相当有限。在离子液体基电解质中，最常用的镁盐是Mg(TFSI)2。然而，TFSI–阴离子与Mg2+配位时，其还原性不稳定。以Mg(TFSI)2为镁盐的镁离子电池性能尚不理想。

2. 基于离子液体的电解质/电极界面相互作用

离子液体电解质分解后在Mg金属上形成的沉积物层阻碍了镁离子的传输。然而，通过引入低聚醚添加剂或使用醚官能化的离子液体阳离子，可以促进Mg2+在TFSI–阴离子的离子液体中的可逆沉积和溶解。在这些电解质中，醚氧可以取代Mg2+配位域中的TFSI–阴离子。此外，在可充电镁离子电池中，离子液体可以作为有效的添加剂来提高电解质的电化学性能，如离子导电性和阳极稳定性。

图3. Mg2+离子液体电解质的示意图

1. 钠离子电池用离子液体电解质

(1)与锂相比，钠的丰度更高，分布更广。地球上Na的丰度约为24000 ppm(Li为20ppm)，资源非常丰富；(2)金属Na表现出较低的氧化还原电位(相对SHE为2.71V)； (3) Na的离子半径比Li大，导致在极性溶剂中的溶解度降低，脱溶可以控制碱金属在界面上的迁移，较弱的相互作用促进了Na+的插入。在该部分中，作者总结了钠离子电池用离子液体电解质的不同阳离子和阴离子。主要集中在咪唑鎓、吡咯烷鎓、铵等阳离子和TFSI–、FSI–、BF4-等阴离子上，阳离子和阴离子的组合可以自由选择，并满足离子液体的理想性能要求。

图4. 钠离子电池用离子液体电解质的阴离子和阳离子

要实现离子液体电解质耦合的商业化钠离子电池还存在诸多需要解决的问题：（1）离子液体的高粘度和高密度可能会导致制造过程中的加工和润湿问题，还可能降低电池的比能量；（2）电池的倍率性能需得到改善，可对阳离子和阴离子进行功能化设计，以提高电荷载体的溶解度和迁移率，例如磷系功能化阳离子和混合阴离子电解质的使用；（3）电解质成本需要进一步降低，可从两方面入手，其一是通过降低离子液体含量来降低电解液的成本，其二是将离子液体基材料与传统的 “廉价”材料混合，可改善离子液体的经济可行性，例如离子液体-分子溶剂混合电解质和离子凝胶。这些电解质有望为未来商业化应用提供新的可行选择。

图5. AIBs、MIBs和SIBs的发展挑战及其应对策略