玻璃态材料历史悠久，应用广泛。一部玻璃史见证了人类社会的发展与进步。关于玻璃态材料的理论研究从未中断，然而，对玻璃本质和性质的认识仍然较为有限。主要原因是其复杂无序的原子或分子尺度的微观结构特征。近几十年来，针对过冷液体的研究取得了丰硕的成果，例如动力学不均匀性、液体脆度和玻璃形成能力等概念的提出。这给非晶态材料的研究带来了巨大的机遇。与此同时，清洁能源的快速发展对应用于大规模储能的可充电电池的应用材料和应用场景提出了新的要求。例如，在极端低温气候条件下，电解液易发生冻结使得电池性能急剧下降，无法满足应用需求。为了使电池在极端低温下仍能正常运行，其中一个关键问题是如何提高电解液的过冷能力，从而使电解液在极低温下仍然保持液态而不冻结为晶态。电解液的过冷能力与其玻璃形成能力息息相关，二者本质上皆与电解液的局域结构复杂度与竞争性密切相关。因此，玻璃态材料领域中玻璃形成能力的实验与计算研究理论可有效用于指导极端低温电池电解液的设计。
最近在Nature Energy杂志上发表的一项研究工作中 [Nature Energy 9, 839 (2024)], 来自香港中文大学的蒋礼威博士及其合作者提出了利用非晶态材料与物理学的原理来辅助设计新颖的电解液，用于开发高性能的极端低温水系钠离子电池，在该领域取得了一项重大突破。通过调控电解液体系中的局域结构复杂度与竞争性，有效对其结晶产生了结构阻挫和化学阻挫，从而延迟结晶并提升了溶液的过冷能力，使其在极低温下仍然保持液态和高的离子电导率，为电池的稳定运行提供了保障。该研究为设计新型的极端低温水系电池和其他储能体系提供了新的思路。
为了进一步缩减两个领域间的隔阂，笔者试图对非晶态物理的相关理论知识做更丰富的介绍，主要阐释了过冷液体中的三个重要概念（如下图所示），以及它们在电解液设计中的重要作用。简而言之：
（1） 液体脆度 liquid fragility
根据过冷液体结构弛豫激活能随着温度的变化规律，液体可以被分为strong和fragile。电解液通常表现为fragile，脆度的大小将会决定其电导率随着温度降低的下降速度，因此会决定其效用的低温极限（Tg/T）。
（2）玻璃形成能力 glass-forming ability
电解液需要在低温状态下抵抗晶化从而保持较高的活性，因此其玻璃形成能力需要较高，从而延长结晶时间。
（3）玻璃转变温度 glass-transition temperature, Tg
Tg代表一个液态体系可以保持有效流动性的低温极限，因此其与脆度一起决定电解液有效工作的绝对低温极限。
图1 过冷液体性质（粘度和电导率）随着温度的变化规律
由于非晶态材料和物理领域与电池研究领域所属学科差异，研究模式和科学范畴迥异，两者之间的交叉与合作鲜见。以上研究工作是促使两个领域交叉合作的一个范例，充分利用通过分子动力学模拟和实验积累得到的非晶态物理的理论知识框架，进而有效指导设计复杂的高性能电解液，进一步加深了计算机模拟-基础理论-新兴实验的相互结合。
作者简介
胡远超 通讯作者
松山湖材料实验室研究员. 曾任美国耶鲁大学助理研究员和东京大学JSPS博士后，主要从事复杂材料体系的结构-性质、相变动力学和数据驱动材料设计等研究工作，在各种材料体系的结晶动力学及其物理机制和非晶态固体的物理性质等方面取得了优异的研究成果，发表多篇研究论文。作为松山湖材料实验室数据驱动材料科学研究团队负责人，带领团队在复杂体系的物性研究和材料优化设计等方面继续深耕。
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期刊特色｜Unique Features
01
免费开放获取，免除作者出版费
02
快速发表，文章被接收后24h内上线
03
“未来展望”，展示该研究领域前瞻性专家观点
04
自由格式撰写，排版工作由IOPP承担
期 刊 简 介
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录。获得首个影响因子12.0，在全球材料综合类438本期刊中排名第41，位列Q1区。本期刊面向全球开放获取，免收作者版面费 (APC)。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
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