科学家打造软包锌锰电池，已实现300次稳定循环

近日，河南工业大学教授郑新华和团队打造出一款高性能软包锌锰电池，在聚醚胺电解液添加剂的调控下，软包锌锰电池实现了 300 次稳定循环，且比容量始终超过 170mAh/g。同时，软包电池的实际能量密度达到了 51Wh/kg，为发展实用性锌锰电池提供了关键支撑。

此外，他们还发现了聚醚胺向列空间效应，即发现电解液添加剂可以有效地调控锌负极的稳定性。该成果中使用的聚醚胺电解液添加剂具有向列空间效应，其可以从锌负极的表面跨越到距离电极表面的一定空间内，从而对整合锌负极界面发挥调控作用。

另外，他们还发现聚醚胺能够同时重塑亥姆霍兹内外平面：理论计算和表征揭示聚醚胺可以高效地吸附在锌表面，形成一个缺水和硫酸根离子的亥姆霍兹内平面，避免了水相关副反应的发生；此外，通过其向列空间效应，聚醚胺的分子链可以延伸到亥姆霍兹外平面，形成新的溶剂化结构，从而均匀锌离子的扩散。重塑的亥姆霍兹内外平面可以有效地抑制锌负极的副反应，并提高其面容量和循环稳定性。

目前，储能市场迫切需要新型的储能技术以推动未来智能电网的发展。水系锌电池具有低成本、高安全、优异可逆性及环境友好等优势，有望在未来的能源市场生大放异彩。

该团队认为，未来其应用场景包括但不限于：未来智能电网中调频及削峰填谷的大规模储能应用；应急场所的储能装备；低速电车市场，包括二轮、三轮、低速四轮车等；汽车的启停电源；高安全需求的消费类电子产品等。

据了解，在新一轮的能源革命中，发展高效的储能技术应对风能、太阳能等可再生能源间歇性、随机性和波动性是实现清洁能源高效利用的重要手段，受到世界各国的广泛关注。水系锌电池具有低成本、高安全、寿命长、环境友好等优势，有望成为“双碳”目标下规模化储能技术的优选电化学器件。

然而，锌负极的不利反应，如锌枝晶生长、析氢反应、锌腐蚀和钝化等，严重阻碍了锌电池的实用化进程。研究人员开发了系列的锌负极界面调控策略获得了其电化学性能的有效提升。

但是，锌负极在高面容量下的长循环稳定性仍不足以支持锌电池的实际应用。锌的电镀/剥离主要发生在电极/电解液界面，而界面双电层在其中发挥着至关重要的作用。双电层由内亥姆霍兹平面（IHP，Inner Helmholtz Plane）、外亥姆霍兹平面和扩散层组成。

在传统的锌盐基水系电解液中，锌离子通常与六个水分子配位形成 Zn(H2O)62+ 溶剂化结构，使锌离子在脱溶剂化和沉积过程中有较高的反应能垒。并且，锌离子在去溶剂化过程中的不均匀扩散以及 IHP 中大量自由水分子的参与，导致产生了枝晶生长和与水相关的副反应。

研究团队发现，锌的稳定沉积和溶解受亥姆霍兹平面成分的影响很大，因此精准的调控 HPs 可以有效抑制锌负极的不利反应，提高其高面容量、高利用率下的循环稳定性，从而加速锌电池的产业化进程。

因此，本次课题致力于抑制如上的副反应，并尽可能提高锌负极在高面容量下的循环稳定性。由于电解液始终参与电极反应过程，所以对电解液的优化设计有望实现锌负极性能的极大提高。

研究中，该团队设计添加剂的原则是从电极反应的基本原理出发，发现界面层中的亥姆霍兹平面决定了锌负极的沉积/溶解的质量，其中包括了内层、外层和扩散层。如果能够同时重塑内、外亥姆霍兹平面，有望最大限度的调控锌负极的反应，从而提高其电化学性能。通过分析添加剂的结构发现聚醚胺具有独特的向列空间效应，有望实现对内、外亥姆霍兹平面的同时重塑。

在半对称电池的设计上，目前锌负极的研究中常用锌片/锌板作为负极，其不仅造成了活性物质利用率低，且作为集流体稳定性较差。

该课题组将镀锡的铜箔作为集流体，实现了锌负极 100% 的利用率。并聚焦在高面容量下的锌沉积/溶解性能，实现了最高 50mAh/cm2 的面容量，且在 10mAh/cm2 的面容量下可稳定循环 1500 小时。

在全电池性能的探究上，研究团队选择了目前常用且廉价的 MnO2 和 V2O5 作为正极材料装配了锌全电池。Zn-V2O5 和 Zn-MnO2 分别获得了 1000 次和 2000 次的稳定循环，表明了聚醚胺添加剂在全电池中也发挥了优化其性能的作用。

在大容量 Zn-MnO2 软包电池的设计及其实用化的初步探索上，课题组认为发展大容量电池才能够更有力度的聚醚胺添加剂的效果。为此，研究团队将软包电池的容量扩大到 300mAh，探究了其与太阳能板的耦合并对其安全性能进行了评估。

郑新华表示：“这项工作是我入职新单位开展的第一个课题，开展研究时确实困难重重。首先实验室还没有完全安置好，相关设备还没有到位。很迫切想开展实验，但是又无法正常进行。起初只能在公共实验室的老旧设备上进行初步验证，但是收集的数据很不理想，无法正常使用。”

在那个阶段每天的主要事情就是和供货商打电话催设备。后来设备终于到位，实验室开始正常运行。快速地封装了一批电池进行测试，由于经过了前期的初步验证，测试效果非常好，心情也豁然开朗，对本课题对后续的科研也更有信心。

另外，本课题也做了软包电池的相关装配和测试，这个实验经历了很长的周期，因为集流体、负载量、电解液用量、测试电流等都不能完全参考纽扣电池，需要重新对这些参数进行探究找到最佳的参数。软包电池的实验足足花费了有将近半年的时间，最后得出了初步的结果。虽然不是最理想的，但是研究团队也在逐步对其进行提升。

日前，相关论文以《聚醚胺向列相空间效应重塑能量锌电池的内/外亥姆霍兹平面》（Polyetheramine Nematic Spatial Effects Reshape the Inner/Outer Helmholtz Planes for Energetic Zinc Batteries）为题发表在Advanced Functional Materials[1]。

郑新华是第一作者，合肥综合性国家科学中心能源研究院Jifei Sun教授、河南工业大学刘世凯教授以及东南大学吴宇平教授担任共同通讯作者。

在后续的工作中，以此次的研究模型为基础，研究团队有信心将软包电池的容量做得更大，且循环稳定性更高。

另据悉，近年来该团队主要聚焦在新型储能电池的开发，及其实用性的探索。科研的最终目标是发展实用化的产品。针对发展实用化锌电池中面临的核心问题，下一步工作主要聚焦在水系锌电池正、负极材料在高面容量下循环稳定性增强；大容量电池实际能量密度及其循环稳定性的进一步提高；中小型电池电堆的应用探索等。

郑新华补充表示：“做有意义的科研要从关心社会、解决实际问题出发。以发展实用化水系锌电池为例，目前更需要关注其面临核心和瓶颈问题：例如如何制造出可用的产品、提高其能量密度和循环稳定性、验证其在实际场景中的应用，以及如何兼容现有产线实现批量生产等。这需要行业相关人员的共同努力，实现更可靠、更具经济性的储能电池产品，以推动能源市场的革新。”

参考资料：

1.Zheng, X., Han, B., Sun, J., Lu, P., Liang, X., Wu, S., ... & Wu, Y. (2025). Polyetheramine Nematic Spatial Effects Reshape the Inner/Outer Helmholtz Planes for Energetic Zinc Batteries.Advanced Functional Materials, 2420434.

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