1913年，Frederick Soddy教授等人首次提出了“同位素（Isotope）”的概念。同位素原子间有相同的电子数和质子数，以及不同的中子数和质量数。由于同位素的电子构型相同，因此稳定同位素常表现出相似的化学性质。然而，同位素之间不同的质量和核自旋方式会导致其单质及其化合物间物理性质的差异，并显著影响同位素参与化学反应过程的热力学和动力学性质，这就是同位素效应。作为周期表中最轻的元素，氢的两种稳定同位素，氕（H）和氘（D）质量相差约100%，因此氢的同位素效应相比其他元素而言更为显著。

基于氢的同位素效应，氘及其化合物的物理化学性质已在化学化工领域内被广泛研究并衍生出一系列应用。近日，中科院化学所辛森研究员提出了一类基于氘代水（重水）的高浓盐水系电解质，并组装了基于层状氧化物正极和活性炭负极的水系锂离子电池。

氘代水相对于普通水或者轻水而言，在单个分子的零点能、解离能、键能等方面就有所区别。考虑到分子间相互作用，氘代水能够形成更多的氢键，同时氢键的键能更强，寿命更长，因此热力学性质更加稳定。

以氘代水为溶剂（或共溶剂），配制了几种“water-in-salt”和“solvent-in-salt”高浓盐水系电解质，观察到相比基于普通水的水系电解质，基于氘代水的电解质均表现出更宽的电化学稳定窗口，和更低的析氢反应/析氧反应活性。基于氘代水/乙腈混合溶剂的高浓盐电解液具有最宽的电化学窗口（3.45 V）和最高的耐氧化电位（1.75 V vs. HgCl₂/Hg，相当于 4.99 V vs. Li⁺/Li）。通过分子动力学模拟对氘代水/乙腈和水/乙腈高浓盐电解质的溶剂化结构进行分析，发现相比于普通水基电解质，氘代水基电解质第一溶剂化壳层内的配位水比例更高（92.4% vs. 90.0%），同时氢键寿命更长（33.6 ps vs. 29.1 ps）。由于氘代水基电解质具有更低的自由水比例和更强的氢键网络，显著抑制了其析氢/析氧反应的动力学，从而使电解质表现出显著拓宽的电化学窗口。

由于氘代水基电解质具有更宽的电化学窗口和更高的耐氧化电位，理论上可搭配高电压正极材料工作，提升水系电池的比能量。在本工作中，作者以氘代水/乙腈高浓盐电解质，配合高电压钴酸锂正极和活性炭负极组装水系锂电池。以2.50 V为充电截止电压时，全电池表现出高的库伦效率（99.6%），良好的倍率和循环性能，5C倍率下正极材料可逆比容量为119 mAh/g，3C倍率下700圈充放电循环后的容量保持率高达81.5%。

进一步，利用时间飞行二次离子质谱和电感耦合等离子体质谱技术对循环后的正极表面和电解质进行了表征，发现在氘代水基电解液中循环的正极片显示出更高的Co、Li含量和Li/Co比，说明在高电压工况下的过渡金属溶解以及循环过程中的Li/H共嵌已得到显著抑制，从而有利于获得更高的库伦效率和更长的循环寿命。

最后值得一提的是，虽然稳定同位素的自然丰度通常较低（自然界中氘占氢总量的0.0156%，且大多以重水形式存在），但关于氢同位素的研究有利于在原子水平上充分认识氢及其化合物的物理化学性质，同时促进了大量新技术的出现和发展。例如，氘化合物已被广泛用作中子减速剂、核反应堆冷却剂、NMR光谱的标记溶剂和物理、化学实验中的同位素示踪剂。本文着眼于氢元素的电化学同位素效应，为高性能水系电池电解质的优化设计以及稳定氢同位素的合理利用提供了新思路。