两性离子（又称内盐）代表了一种独特但非常多样化的材料类别，其中阳离子和阴离子物种共价结合。两性离子已被广泛研究，应用于表面活性剂、表面涂层和催化剂，以及作为液晶和嵌段共聚物的基本单元。然而，它们在为锂金属电池等储能设备开发更安全、非挥发性电解质的方面的价值尚未得到广泛探索。
尽管目前对两性离子在电解质方面的应用有相关的报道，但是到目前为止，它们主要被用作添加剂或制造聚合物凝胶电解质。然而，两性离子在作为带电的非挥发性固体基质材料方面具有潜力：它支持目标离子的解离和传输，但自身不迁移。
成果简介
澳大利亚迪肯大学的Jennifer M. Pringle团队报道了一类两性离子，表现出分子无序和可塑性，这允许它们作为固态导电基质使用。同时，他们研究了这类两性离子与锂盐和锂功能化聚合物结合形成固体或高盐含量的液体电解质的物理和传输性质，这种两性离子基电解质可以允许高目标离子传输，并支持稳定的锂金属电池循环。利用无序两性离子材料作为电解质基质进行高目标离子传输，加上改变化学和物理性质，对于未来设计非挥发性电解质材料具有重要意义。
图文导读
图1 纯两性离子的表征
图2 10 mol% LiFSI在ZI（1）中的热性能和传输特性
图3 10 mol% LiFSI在ZI（1）中在锂对称和全电池中的性能
图4 10 mol% LiFSI 在ZI(1) 中及其与锂功能化聚合物纳米颗粒（NPs）的混合物
图5 采用50 mol% LiFSI液体在ZI（1）电解液中的电导率和对称锂电池性能
总结展望
本文报道了具有塑性和高目标离子传输动力学的两性离子材料作为非挥发性、非迁移电解质基质的应用。三种体系被用来证明这一材料家族的广泛适用性：
（1）塑性两性离子可作为基质材料，提供一种非挥发性、离子导电的固体介质，而无需相互竞争的离子传输；
（2）该两性离子可用于含有锂功能化聚合物等功能添加剂的复合材料，以提高目标离子的传输和力学性能；
（3）对于高浓度的电解质系统，两性离子可以与高浓度的锂盐结合，形成具有高锂离子传输的非挥发性液体电解质。
这三个体系已经实现了锂金属电池的稳定循环。未来的工作将探讨两性离子对SEI层的影响，以减缓锂枝晶的生长等。这项工作也为其他电化学系统的电解质开发指明了一个新的方向。例如，无序的两性离子材料可能有利于增加其他碱金属或多价离子电池中的目标离子传输，并可以针对固体或液体电解质的发展而定制。
作者介绍
Jenny Pringle 教授是迪肯大学前沿材料研究所的高级研究员。她在迪肯大学领导研究离子电解质的开发和应用，包括热能收集、二氧化碳分离和固态锂电池。
研究主要集中在开发用于电化学装置的新型液体和固体有机离子电解质：
离子液体： 这是一种新型溶剂，完全由离子组成，可用于各种合成和电化学应用。它们可以是不挥发和不易燃的，具有良好的离子导电性和优异的热和电化学稳定性。对新系列离子液体的设计和合成及其在锂和钠电池等设备中的应用感兴趣。
有机离子塑性晶体： 这些是在许多相同有机盐系列中发现的结晶相，但这些盐具有更高的熔点和各种形式的无序，因此具有塑性机械性能。这种可塑性及其固有的离子电导率使它们作为固态离子导体受到关注。这些可以开发用于热能储存和气体分离膜。
热能收集： 研究一系列不同的电解质—尤其是离子液体，以及用于热电化学电池的氧化还原电对。这些设备旨在收集低品位废热。
文献信息
Makhlooghiazad, F., O’Dell, L.A., Porcarelli, L. et al. Zwitterionic materials with disorder and plasticity and their application as non-volatile solid or liquid electrolytes. Nat. Mater. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41563-021-01130-z
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