电子科技大学孙威/张宝&湖北大学王浩/万厚钊团队Nat. Commun.：电场增强亲和性电解液助力高可逆锌金属电池

第一作者：杨铭

通讯作者：张宝*，王浩*，万厚钊*，孙威*

单位：湖北大学，电子科技大学

尽管水系锌电池安全且成本低廉，但锌金属在水溶液中的热力学不稳定性导致其在实际充放电过程中，极易发生严重的析氢反应（HER）、界面腐蚀以及枝晶生长等不可逆副反应 。这不仅大幅降低了电池的库仑效率和循环寿命，更是目前阻碍其实用化的最大瓶颈。为了应对这些挑战，主流的电解液改进方案（如使用高浓度盐或大量添加有机共溶剂）往往面临着粘度大、成本高或牺牲电池安全性的尴尬权衡。更为关键的是，传统设计策略大多基于“静态”假设进行经验性筛选，完全忽略了电池运行过程中电极界面处存在的极强动态电场（105 到 107 V cm-1）。事实上，这个被长期忽视的动态电场深刻影响着界面组分的重新分布和锌的沉积行为，正是基于这一核心痛点，促使本研究去探索一种能够主动响应电场的全新电解液设计思路。

近日，电子科技大学孙威/张宝团队联合湖北大学万厚钊/王浩课题组，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Electric-Field-Reinforced Affinitive Electrolytes for Highly Reversible Aqueous Zinc Metal Batteries”的研究论文。

该研究论文分析了传统水系锌电池电解液设计中长期被忽视的强动态电场效应，提出了一种基于分子给体数（DN）和偶极矩（μ）双参数筛选的“电场增强亲和性”电解液（ERAE）设计策略，同时结合多种原位表征与高通量计算，深入揭示了电场驱动下添加剂在电极表面的动态富集与双电层重构机制，为彻底解决锌负极界面不稳定性（如枝晶生长和析氢腐蚀）提供了全新的理论范式与实用策略。

打破传统“静态”经验试错的局限，本研究首次提出了基于分子“给体数（DN）”和“偶极矩（μ）”的双参数筛选模型。以筛选出的N,N-二甲基脲（DMU）为例，其高DN保证了与 Zn²⁺ 的强配位，高μ使其能响应电场快速极化，仅需极低添加量（2 wt%）即可构建“电场增强亲和性电解液（ERAE）”。

为了深入探究电场驱动下的界面演变过程，本工作结合了原位电化学石英晶体微天平（eQCM）与红外光谱（ATR-FTIR）等先进表征技术 。eQCM 的质量-电荷分析直观地显示，在施加运行电场后，界面处锌物种的表观摩尔质量达到了 202 g mol-1，这显著高于纯水合锌离子的理论值（179 g g mol-1）。证实了 DMU 分子在电极表面发生了主动定向迁移与富集，并直接参与了界面配位，形成了更重、更稳定的复合物。

同时 ，原位红外光谱进一步揭示了这种动态富集对双电层结构的重构作用。在镀锌过程中，界面处水分子和硫酸根的红外吸收变化被显著抑制，这表明 DMU 的界面吸附有效排斥了这些破坏性组分。两者结合，充分证明了该策略从根本上抑制了水合锌离子的脱溶剂化副反应与析氢腐蚀，成功构建出了一个贫水且高度安全的界面环境。

得益于贫水界面的成功构建，Zn||Zn对称电池在60%的超高放电深度（DOD）下实现了700小时的稳定循环，库伦效率高达99.92%，并诱导锌呈现致密的2D层状沉积 。在实用化验证中，25 cm2 的大面积 Zn||ZnI2 软包电池循环200圈后容量保持率高达99.2%，并成功适配了钒基正极（Zn||V6O13）体系。

进一步地，研究团队将该 DN-μ 双参数设计理念拓展至高通量计算。从约56.9万种有机分子数据库中，成功筛选并实验验证了吡拉西坦（PIR）等新型优异添加剂。这证明了该理论框架的高普适性，为未来水系多价金属电池的界面工程提供了数据驱动的实用策略。

Yang, M., Zhang, B., Duan, A. et al. Electric-field-reinforced affinitive electrolytes for highly reversible aqueous zinc metal batteries. Nat Commun (2026).

张宝，电子科技大学材料与能源学院特聘研究员，博士生导师。于2015年和2019年在华中科技大获得本科和博士学位，曾先后在华科、华为数字能源以及新加坡南洋理工大学从事研究工作。长期从事能源材料计算模拟与设计，基于多尺度计算模拟方法，探究材料表界面反应路径及调控机制。迄今为止，以一作（共一）和通讯身份在Nat. Energy、Joule、Nat. Commun.、Chem、JACS等知名期刊上发表论文30余篇，总引用13000余次，H指数58，23-24连续两年入选科睿唯安高被引学者榜单。

孙威，电子科技大学材料与能源学院教授、博士生导师，入选国家级青年人才计划。2011年和2017年在华南理工大学获得工学学士和博士学位，曾先后在美国马里兰大学、德国明斯特大学从事研究工作。致力于解决新型二次电池在“机理解析-性能优化-器件构筑”环节的关键问题。主持国家自然科学基金青年基金一项、NSAF联合项目一项和四川省自然科学基金项目两项。近年来发表学术论文30余篇，第一作者、通讯作者文章包括Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等期刊。曾主持和承担两项德国科教部（BMBF）电池研究项目，获美国电化学协会博士后研究奖（两名获奖人之一，2021）。

万厚钊，湖北大学教授，博士生导师，湖北省青年人才。湖北大学研究生院副院长(挂职)，微纳电子材料与器件湖北省重点实验室副主任。获2022湖北向上向善好青年，3551光谷人才计划“产业教授”，全球前2%顶尖科学家2020与2022榜单，2021校青年科学家十大科技成果，2020-2022年校优秀教师。主要从事储能材料与器件基础研究与应用开发，主持国家科技重大专项子课题、国家自然科学基金面上与青年基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目与企业横向等10余项。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等SCI期刊发表论文50余篇，被引用6000余次，H因子38。申请国际/国家发明专利32项，其中授权16项。获2020-2022年度无机化工科学技术奖-技术发明奖二等奖(2/5)，兼任中国稀土学会固体科学与新材料专业委员会委员，《稀有金属》、《SmartMat》青年编委。指导本科生获A1类赛事：第八届“互联网+”全国银奖；第十七届“挑战杯”学术作品竞赛全国二等奖；第十三届“挑战杯”创业大赛全国铜奖。

王浩， 二级教授，博士生导师，国际先进材料协会会士(FIAAM)，享受国务院政府特殊津贴，湖北省劳动模范、新世纪高层次人才第一层次人选、有突出贡献中青年专家。1989年、1994年获华中科技大学学士和博士学位；1994年-2002年北京大学、香港中文大学博士后；2002年任上海交通大学教授；2005-2010年任湖北省“楚天学者计划”特聘教授；2010年任剑桥大学高级研究员；2005-2019年分别任法国国家科学研究院、德国马普固态研究所、瑞典皇家理工学院、芬兰阿尔托大学、香港中文大学及台湾中山大学访问教授。兼任湖北江城实验室副主任和首席科学家、神经形态器件与类脑芯片湖北省工程研究中心主任，中国仪表功能材料学会副理事长、中国半导体三维集成制造产业联盟副理事长。Materials Focus、Frontiers in Energy Research、《材料导报》编委。研究方向为能源信息功能材料与微纳器件，获湖北省自然科学二等奖等省部级奖励5项，获授权国际国内发明专利70余项。在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、InfoMat、SmartMat、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano-Micro Lett.、IEEE EDL等期刊发表论文300余篇，被引用8000余次。

孙威教授团队依托电子科技大学材料与能源学院，致力于发展多维表征技术和多尺度计算模拟方法，系统探索电池内部的表界面微观结构、作用机制和调控规律，解决新型电池体系面临的稳定性和可逆性挑战。重点研究方向包括水系金属（锌、镁、铝）空气电池、锂离子电池电解质与高比容负极（锂金属、硅碳）界面、能源材料多尺度计算与AI设计以及电化学原位表征技术。