类型a：学术研究报告
本研究由Chalarat Chaemchamrat、Penwuanna Arin、Luming Li、Yachao Zhu、Roza Bouchal和Olivier Fontaine*合作完成，主要作者来自泰国Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology (VISTEC)、中国成都大学、法国蒙彼利埃大学以及德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所。研究论文《Unraveling the Nature of Interfacial Behavior in the LiTFSI-LiCl Aqueous Biphasic System》发表于期刊《Small》2025年第21卷，文章编号2410469。
学术背景
本研究聚焦于水系双相系统（Aqueous Biphasic Systems, ABSs）在能源存储领域的应用。传统液态电解质存在易燃、有毒等问题，而基于高浓度盐水的ABSs因其低成本、高离子导电性和安全性成为潜在替代方案。然而，ABSs的界面稳定性长期未得到充分研究，而界面行为直接影响其电化学性能。LiTFSI（双三氟甲磺酰亚胺锂）和LiCl（氯化锂）组成的ABSs因其阴离子尺寸不对称性可形成双相分离，但界面随时间变化的稳定性及其对电化学性能的影响尚不明确。本研究旨在通过光学显微镜和电化学手段揭示LiTFSI-LiCl ABSs的界面不稳定现象，并分析其固态副产物的形成机制。
研究流程
样品制备与表征
- 材料：使用LiTFSI（98+%）、LiCl（无水）和超纯水配制不同浓度的ABSs（如7 M LiTFSI-10 M LiCl），加入罗丹明6G荧光染料标记相界面。
- 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：分析上下相的化学成分，确认上相为LiCl富集相（含微量LiTFSI），下相为LiTFSI富集相（含微量LiCl）。
- 离子电导率测试：通过阻抗谱测量0-48小时内两相电导率变化，发现初始电导率下降后回升，表明离子迁移趋于平衡。
界面动态观测
- 光学显微镜：追踪0-14天内界面的演变。结果显示，1天后界面清晰，3天后出现固态层（厚度达微米级），14天后固态层持续增厚。
- 透射电子显微镜（TEM）：结合选区电子衍射（SAED）和能谱（EDS）分析固态层成分，证实其为LiCl晶体（衍射环匹配LiCl结构），但EDS显示氟（F）和硫（S）分布不均，表明LiTFSI可能以非晶态存在。
电化学行为研究
- 循环伏安法（CV）：采用双电极体系测试5 M LiTFSI-10 M LiCl和7.5 M LiTFSI-15 M LiCl的界面稳定性。低浓度体系（5 M-10 M）的电容行为随时间恶化，而高浓度体系（7.5 M-15 M）更稳定。
- 电化学阻抗谱（EIS）：Nyquist图显示高浓度体系的界面电阻更低，与CV结果一致。
相图与浓度影响
- 通过浊点滴定法构建LiTFSI-LiCl-H₂O三元相图，发现远离双节曲线的体系（高盐浓度）界面更稳定，但固态层厚度随LiCl浓度增加而显著增加。
主要结果
- 界面不稳定性：光学显微镜直接观测到界面随时间增厚，并伴随固态LiCl析出，TEM-EDS证实其成分。
- 电化学性能关联：CV和EIS表明界面不稳定性导致电容衰减和电阻上升，高盐浓度可缓解这一问题。
- 固态层形成机制：SAED确定LiCl结晶，而LiTFSI因疏水性可能以非晶态分散于界面。
结论与价值
本研究首次揭示了LiTFSI-LiCl ABSs的界面不稳定性和固态副产物形成现象，为设计稳定ABSs提供了关键依据。科学价值在于阐明了盐浓度与界面稳定性的定量关系，应用价值体现在指导高浓度盐水电解质的开发，以提升膜无电池（membrane-free batteries）等能源器件的长期性能。
研究亮点
- 创新发现：首次报道LiTFSI-LiCl界面固态层的存在及其时间依赖性演变。
- 方法创新：结合光学显微镜原位观测与TEM-EDS多尺度表征，明确界面成分与结构。
- 应用指导：提出高盐浓度可优化界面稳定性，为ABSs在能源存储中的实际应用提供参数依据。
其他价值
研究还发现罗丹明6G染料不影响固态层形成（通过对照实验验证），为后续界面标记技术提供了参考。此外，相图分析工具（ImageJ和Mathematica软件）的开发也为类似研究提供了方法论支持。