《Coordination Chemistry Reviews》：Chemical design and data-driven innovation: a cross-scale review of flame-retardant electrolytes for safe high-energy-density batteries
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高能量密度锂离子电池面临热失控安全风险，固体阻燃电解质成为关键解决方案。本文构建了涵盖阻燃性、热稳定性、机械性能和电化学稳定性的多维安全评估体系，系统对比了聚合物基与无机基电解质的热失控触发路径及内在机制差异，提出通过界面工程和热力学动力学耦合优化性能。研究整合量子化学计算、分子动力学模拟与多尺度工程仿真，形成从微观机制到宏观安全的闭环分析框架，并利用人工智能加速材料设计。重点突破阻燃性与离子电导率的矛盾，提出聚合物电解质通过阴离子空位调控静电微环境，无机电解质采用硫化物/卤化物体系改进界面阻抗的协同优化策略。最后展望了材料基因组学与AI驱动的逆向设计在电解质开发中的突破性应用前景。
吴永春|张远星|刘云江|郝云波|卢晓金|李浩成|张旭祥|李子涵|吴汉峰|张新宇|马明|吴伯荣|吴峰|穆道斌
北京工业大学材料科学与工程学院，北京100081，中国
摘要
高能量密度锂电池对于电动汽车和大规模储能至关重要，但它们面临着日益严重的安全风险，其中热失控仍然是阻碍其广泛应用的关键问题。阻燃电解质为降低火灾隐患提供了直接的材料级解决方案。然而，实际应用需要同时满足离子传输、界面兼容性以及机械/热稳定性的严格要求。在这篇跨尺度综述中，我们结合“机理-评估-设计-计算”方法来指导固态电池用高安全性阻燃电解质的发展。首先，我们比较了聚合物电解质和无机电解质电池在异常触发和内部驱动下的热失控路径，并建立了一个多维安全评估框架，涵盖了阻燃性、热稳定性、机械完整性和化学/电化学稳定性。接着，我们总结了两大类固态阻燃电解质的化学设计策略：（i）通过阻燃添加剂（包括无机填料、卤素/磷/氮/硅化合物以及MOFs/衍生物）改性的聚合物基复合电解质；（ii）本征阻燃的聚合物电解质（原位共聚和凝胶状系统）与无机固体电解质（氧化物、硫化物和卤化物）。对于每一类电解质，我们阐明了组成-结构-性能之间的关系、气体和凝聚相的阻燃机制以及性能调控策略，特别强调了界面工程和热力学-动力学耦合，以实现稳定性和快速离子传输的平衡。最后，我们展示了量子化学计算和（从头算/经典）分子动力学如何揭示原子级分解和传输过程，有限元和流体动力学模拟如何实现电池级别的安全评估，以及材料基因组学和人工智能如何加速多目标筛选、逆向设计和优化。我们还指出了现有技术中的瓶颈——聚合物的导电性与易燃性之间的权衡，无机固体的界面阻抗以及对空气/湿气的敏感性，并概述了实现实际应用的可行且经济高效的途径。本综述整合了现有知识，为开发更安全的电解质提供了可操作的原则。
引言
高能量密度电池已成为新能源汽车和大规模储能系统的核心动力来源[1]，但它们因机械滥用、热滥用和电气滥用等因素引起的热失控安全风险严重限制了储能设备的安全和大规模应用。作为抑制热失控的关键解决方案，阻燃电解质在电池安全领域受到了广泛关注，其中固态阻燃电解质因其无泄漏、良好的机械性能和与电极的强兼容性而脱颖而出[2]。近年来，研究人员在固态阻燃电解质的发展方面取得了显著进展：聚合物固态电解质在柔韧性和加工性方面显示出潜力，而无机固态电解质则在热稳定性和抗锂枝晶能力方面具有优势。然而，仍存在一些关键瓶颈：聚合物电解质通常面临阻燃性与离子导电性之间的矛盾，其在极端条件下的热稳定性需要提高；无机固态电解质则存在高界面阻抗、机械韧性差以及对空气/湿气的敏感性（尤其是基于硫化物的系统）。最近的研究通过阴离子空位的多层次调控开发了低锂梯度聚合物电解质，为优化离子传输均匀性提供了新途径[3]。锂掺杂研究揭示了钠缺陷P3型层状正极的结构演变与高电压循环稳定性之间的关系[4]。更重要的是，基于不同固态电解质的固态锂电池的热失控机制尚未得到系统阐述，也缺乏全面且针对性的安全评估体系[5]。此外，传统的实验试错方法在电解质开发中效率低下，而计算化学和人工智能（AI）在加速阻燃电解质设计和优化方面的应用仍处于初步阶段（图1）。
现有的关于阻燃电解质的综述文献大多聚焦于单一材料或特定性能维度，缺乏对不同固态电解质系统的“热失控机制-安全评估体系-组成设计-性能调控-计算辅助开发”的系统整合。此外，对于聚合物电解质和无机固态电解质之间的热失控触发路径和内部驱动机制的深入比较不足，数据驱动方法在加速电解质开发中的应用也未得到充分探讨。在开发适用于锂离子、钠离子和钾离子电池的通用不可燃电解质方面也取得了显著进展，这些电解质通过固有的不可燃性和空间位阻效应提高了安全性[6],[7]。尽管如此，这些电解质跨系统应用的兼容性原理仍不充分了解，这正是本综述旨在解决的关键研究空白。
为了解决这些问题，本综述重点关注固态阻燃电解质，旨在建立一个从机理阐明到性能调控的完整技术体系。核心研究内容包括三个方面：首先，深入分析基于聚合物电解质和无机固态电解质的固态锂电池的热失控机制，并构建一个涵盖阻燃性[8]、热稳定性、机械性能和电化学稳定性的综合安全评估体系；其次，系统阐述两种主要类型固态阻燃电解质的组成设计、阻燃机制、电化学性能调控和应用前景（包括添加阻燃剂的聚合物固态电解质和本征卤化体系，以及氧化物、硫化物和卤化体系的无机固态电解质）；第三，整合计算化学和AI技术以加速阻燃电解质的发展，实现关键性能的预测和材料结构的优化。最新综述系统总结了LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极的结构退化、界面失效机制和改性策略，为电解质和电极的协同优化提供了理论支持[9]。
本综述的创新点如下：（1）在分类方法上，突破了传统的“单一材料/单一性能”分类逻辑，建立了“机理-评估-设计-计算”的跨维度分类体系，特别是将无机电解质细分为氧化物、硫化物和卤化物，并明确了各自的改性路径，弥补了现有综述中系统分类的不足；（2）在独特见解方面，首次定量比较了聚合物电解质和无机电解质的关键热失控参数（如触发温度、短路电流密度、热释放率），阐明了“聚合物塑性变形与无机脆性断裂”之间的机械差异对热失控的影响，解决了现有综述中缺乏深入机理比较的问题；（3）在突破性视角上，首次全面整合了量子化学（DFT/AIMD）、介观模拟（MD）、宏观工程模拟（FEA/CFD）和AI（机器学习/材料基因组学），形成了“微观机理-介观结构-宏观安全”的跨尺度闭环，并强调了AI驱动的逆向设计和界面调控，涵盖了现有综述中未充分涉及的数据驱动方法。
本综述通过填补现有研究的空白，为未来的研究提供了有力支持。它及时总结了新兴趋势，澄清了持续存在的科学和技术障碍，并勾勒了从材料设计到系统集成的系统路径。我们相信，本文提出的见解和框架将有助于推动高安全性固态阻燃电解质的发展，这对于解决热失控挑战和确保未来储能技术的可靠运行至关重要。这也标志着从传统化学设计向量子化学和人工智能驱动的固态阻燃电解质研究范式的转变。
章节片段
阻燃电解质的热失控机制与安全评估
通过对固态电解质（包括聚合物和无机体系）的热失控触发路径和内部驱动机制的深入分析，以及构建一个涵盖阻燃性、热稳定性、机械性能和电化学稳定性的多维安全评估体系，本节为解决阻燃电解质的安全瓶颈奠定了坚实的理论基础和方法论支持。
高安全性阻燃电解质的化学设计
前一节系统阐明了不同固态电解质系统的热失控机制，并建立了一个涵盖阻燃性、热稳定性、机械性能和电化学稳定性的多维安全评估框架，为后续阻燃电解质的化学设计奠定了坚实的理论和方法论基础。
计算化学和数据驱动方法在阻燃电解质设计中的应用
随着对高安全性和高性能阻燃电解质在锂离子电池中的需求增长，传统的实验试错方法面临固有的瓶颈——包括漫长的开发周期、高资源消耗以及难以系统解析内在机制（如阻燃反应路径、电极-电解质界面的离子传输行为和热失控演变）。计算化学和数据驱动方法
结论与展望
开发兼具阻燃性、电化学性能和实用性的高安全性固态阻燃电解质是应对高能量密度电池热失控风险的核心挑战，同时也是支持新型储能设备安全大规模应用的关键技术方向[367]。其核心难点在于协调阻燃机制、离子传输效率
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张远星和穆道斌的研究得到了国家重点研发计划（2024YFF0505900）、中国博士后科学基金一般项目（编号77, 2025M774198）以及CPSF博士后奖学金计划（资助编号GZC20252688）的财政支持。作者声明他们没有已知的利益冲突。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2024YFF0505900）、中国博士后科学基金一般项目（编号77, 2025M774198）以及CPSF博士后奖学金计划（资助编号GZC20252688）的财政支持。
