中国科学院上海硅酸盐研究所，最新Nature Communications！

存在问题

水系锌金属电池（AZMBs）具有理论能量密度高、环境友好和低成本等优点，是未来能源存储领域的重要候选者。然而，传统AZMBs因锌（Zn）金属负极的严重侧面反应及硫酸盐电解质的高冰点限制，导致循环稳定性差和适用工作温度范围窄，在实际应用中难以可靠运行。

（1）Zn负极反应问题：水分子对Zn²⁺的强溶剂溶解作用及硫酸盐阴离子诱导的腐蚀作用，严重损害了电池的循环稳定性。通过引入更强配位能力的有机溶剂替代Zn²⁺溶剂化壳中的部分水分子，可抑制水诱导的副反应，但高浓度电解液降低了反应动力学，特别是正极性能。

（2）电解质离子聚集体问题：采用特殊盐（CF₃SO₃-、(CF₃SO₂)₂N-等）作为电解质时，阴离子与阳离子间的相互作用易形成高浓度下的离子聚集体（AGG），影响离子扩散速率。因此，需要优化电解液配方，减少离子聚集体的形成，同时保持低温下的离子传输效率。

（3）阴离子溶剂化结构研究不足：目前，对阴离子溶剂化结构及其对AZMBs性能影响的详细研究较少，限制了电解液设计的进一步优化。开发能够实现阳离子和阴离子溶剂化结构共同重构的新型电解液，是提升AZMBs在更宽工作温度范围内稳定性的关键。

成果及亮点

基于此，中国科学院上海硅酸盐研究所迟晓伟研究员和刘宇研究员（共同通讯作者）探讨了H2O分子对AZMBs中锌离子引起的副反应问题，并指出阴离子溶剂化结构对Zn负极性能影响的研究不足。

（1）理论创新：作者提出了一种创新的溶剂化结构共同重构方法，受硼-酸酯化学启发，成功实现了阳离子溶剂化结构的脱溶剂和电荷转移过程的加速，同时抑制了自由阴离子的水解。该策略有效减少了AZMBs中的不良副反应，如氢的演化、钝化和树突形成，显著提升了电池性能。

（2）性能突破：所开发的ZGBCP电解液，使AZMBs展现出创纪录的超宽工作温度范围（-50至+100 °C），远超传统电解质，并实现了长达30000次的循环使用寿命。这一具体数值上的突破，不仅验证了CRACSS策略在AZMBs应用中的可行性，还为未来开发适应极端环境条件的AZMBs电解质提供了重要的参考和新的思路。

内容解读

ZGBCP、ZCP和ZGP电解质的制备均涉及基础溶液的配制、电解质的添加、交联与光引发剂的混合，并在紫外光下进行凝胶化。其中，ZGBCP包含甘油、硼酸、壳聚糖等成分，ZCP以冰醋酸替代了硼酸和甘油，而ZGP则仅使用甘油和去离子水作为基础溶液，省略了硼酸和壳聚糖，最终均形成具有特定性能的水凝胶电解质。PANI正极通过亲水性碳布浸渍苯胺单体并进行原位聚合反应生成，随后经洗涤干燥后制成圆盘状电极。I2正极则通过活性碳黑与碘的混合加热制备，并调整比例、去除多余碘后，与导电剂和粘合剂混合涂布于碳布上形成。

图1.传统水相电解质面临的挑战以及ZGBCP电解质的特性

图2.不同电解质的离子传输、力学和热性能的表征

图4.不同电解质的Zn负极的界面剥离/沉积反应动力学和界面SEI

图5.不同电解质的Zn ‖ PANI全电池电化学性能和反应机理分析

Zn/ZGBCP/PANI全电池在0.2 A/g电流密度下展现出超过140 mAh/g的高可逆比容量，即便在高达20 A/g（相当于35 mA/cm2）的电流密度下，仍能保持120 mAh/g的容量，展现出卓越的倍率性能。采用AE电解质的电池在高倍率下性能迅速衰减，而ZGBCP电解质则有效维持了全电池的库仑效率（CE）和能量效率（EE）。Zn/ZGBCP/PANI全电池在能量与功率密度上均表现出色，并具备超过10000次的循环稳定性，证明了其卓越的电化学稳定性。此外，Zn/ZGBCP/I2全电池在高电流密度下循环12000次后仍保持高容量，体现了其广泛的适用性。

图6. Zn/ZGBCP/PANI电池在极端温度下的电化学性能

在极端温度条件下，即-40 °C至50 °C范围内，该电池能够稳定地实现高达30000次和5000次的循环使用寿命，且容量保留率分别为85.4%和91.3%。在50 °C的环境下，电池的容量超过200 mAh/g。通过串联三个Zn/ZGBCP/PANI电池，这些器件能够在-40 °C至70 °C的条件下稳定运行，证明了CRACSS策略在提升电池系统有效性和实用性方面的巨大潜力。

作者信息

刘宇研究员现任中国科学院上海硅酸盐研究所博士生导师。2008年入选中国科学院高层次人才计划并入职上海硅酸盐研究所。研究方向主要集中在储能二次电池及相关新型能量转换、存储材料与器件，以及储能机理及相关界面电化学研究。其他详见课题组网页：

https://www.sic.cas.cn/sourcedb_sic_cas/zw/rck/202312/t20231211_6911610.html

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