离子液体是一种完全由有机阳离子和无机阴离子组成的室温下呈液态的新型电解质材料， 也被称为室温融熔盐。离子液体具有一系列优异的性能， 包含较高离子导电性、良好的热稳定性、较宽的电化学稳定窗口和低毒性等等。这些优异的材料性能使之在开发新一代高能电池的研究中脱颖而出。近几年来大量研究表明，高盐浓度离子液体能够支持碱金属电极 （锂金属和钠金属）和全电池长时间运行和稳定充放电，与之相关的研究也引起各国研究者高度关注。然而，科学家对离子液体电解质和电极界面作用机理仍然缺乏深度的了解。
近期， 由澳大利亚科学院院士、澳大利亚迪肯大学ARC桂冠教授（ARC Laureate Fellow）Maria Forsyth领导的科研团队通过理论计算对钠金属电极能够在高盐浓度离子液体中稳定充放电的机理进行深入研究，并从理论上取得了重大进展。该理论计算项目是由Maria Forsyth教授和陈芳芳研究员共同领导，由DMITRII RAKOV 博士生为第一作者。该项研究成果在近期自然-材料期刊上发表 （Nature Materials 2020,19, 1096-1101）。
要点一：
该项工作通过分子动力学模拟并结合实验研究，揭示了高盐浓度离子液体电解质能够在钠电极界面形成一种显著的类似于熔融NaFSI盐［sodium bis(fluorosulfonyl) imide］的界面结构。而施加高的外加电压会进一步促进这种界面结构的形成。同时，这种界面结构也有助于形成均匀的富含LiF的固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI），而这种富LiF界面在支持长久稳定的钠金属电极循环中起到重要作用。
由于其材料自身的特殊组成，离子液体在电极界面形成不同于有机溶剂电解质的多层纳米界面结构。这种纳米结构也在原子力学显微镜的研究中被多次报道。而理论计算研究发现这种界面形貌会随着盐浓度的变化和外加电压的变化而产生不同的变化。高浓 度的钠盐会显著破坏并减少离子液体的这种多层界面结构 。分子动力学模拟和原子力学显微镜同时证实了这个结果（图1）。
图1 通过原子力学显微镜和分子动力学研究展示的多层界面结构。彩色二维图像是通过原子力学显微镜结果，红、绿、黄色曲线分别是分子动力学模拟获得的阴离子、阳离子和钠属离子数的密度函数。（详细信息请见原文）
要点二：
图2显示了离子液体电解质最靠近负电极的内层界面结构。该界面在不含盐或含低浓度盐的时候主要由阴、阳离子共同组成。在逐渐增加电极的负电荷密度（外电压）后 更多的阳离子进入内层结构， 而阴离子同时被排斥出去。而在高盐浓度离子液体界面中，阴阳离子和钠金属离子会在中性电极上共存，逐渐增加负电荷密度后起初阳离子数也会增加，然而在更高的负电荷密度下钠离子数开始显著增加，阴离子数也同时随之增加，此刻阳离子被排除到外层结构中。这样的变化也随之影响了SEI的结构。
图2（原文支持信息中的图五）离子液体在不同钠盐浓度和不同负电荷密度的电极附近的内层电解质结构。
要点三：
该研究发现通过高外加电压预处理后过电位降低，钠对称电池循环的稳定性显著增加 ，循环700次后仍在稳定运行（图3）。
图3通过不同外加电流预处理后的高浓度离子液体在钠对称电池中的电化学循环实验。
该项工作揭示了高盐浓度离子液体支持稳定循环钠金属电极的机理，并为设计优化固体电解质界面提供了实用的策略。该成果也再次展示了计算机模拟在电池研究中的重要作用。
该组近年来在对高盐浓度离子液体和界面的计算研究中取得了一系列的进展。其它相关工作请见：
J. Phys. Chem. C 2017, 122(1), 105-114
Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 19336-19344
J Chem. Phys. 2018, 148 (19), 193813
J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10 (23), 7414-7420.
Phys. Rev. Materials 2019, 3, 095801
Phys. Rev. Materials 2020, 4, 045801
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