北京化工大学陈仕谋、UTS汪国秀/陈勇最新NC:突破40 ℃极限！新型电解液让锌金属电池低温续航超6600小时

第一作者：阳思念、赵顺顺

通讯作者：陈仕谋*，汪国秀*，陈勇*

单位：北京化工大学，悉尼科技大学

水系锌金属电池凭借安全性高、成本低廉、环境友好等优势，被视作锂基电池的理想替代方案，有望广泛应用于大规模储能系统。然而，两大核心难题一直制约其发展：一是电极界面易发生析氢、腐蚀等副反应，且锌枝晶生长会导致电池短路失效；二是低温环境下电解液易结冰，阻碍锌离子在电解液中的传输，让电池性能急剧下降。在低温储能需求日益迫切的背景下，如何突破“低温结冰”与“界面不稳定”的双重限制，成为水系锌离子电池走向实际应用的关键。

近日，来自北京化工大学的陈仕谋教授与悉尼科技大学的汪国秀教授/陈勇合作，在国际知名期刊Nature Communication上发表题为“Gradient chaotropic regulation of Zn²⁺ solvation chemistry for low-temperature zinc metal batteries”的重磅研究。提出一种梯度离液型离子液体电解液设计，成功破解上述难题，让锌金属电池在-40 ℃低温下仍能稳定工作，相关成果为低温储能技术突破提供了全新思路。

设计了一种基于1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐（[Emim][TFA]）离子液体的梯度离液型电解液（Emim+-TFA/OTf-Zn²⁺-H₂O）。不同于传统依赖低水含量、复杂添加剂的电解液体系，该设计利用Hofmeister序列中相邻的TFA和OTf两种离液阴离子，形成梯度协同效应：既破坏水分子间的氢键网络降低冰点，又通过阴离子与锌离子的强配位作用重构溶剂化结构，构建出"疏水但亲盐"的界面环境，同时满足无枝晶沉积和低温运行的矛盾需求。

电解液中的Emim+阳离子优先吸附在锌电极表面，减少界面自由水分子含量，抑制析氢反应；而梯度离液阴离子在双电层内聚集，通过电化学分解形成富含ZnF₂、ZnO、ZnS、ZnCO₃等无机成分的固体电解质界面（SEI）。该SEI层不仅离子电导率高，还能隔离活性水分子，同时引导锌离子均匀沉积，从根源上抑制锌枝晶生长。在25 ℃、1.0 mA cm^-2条件下，锌电极循环寿命达到空白电解液的25倍。

得益于氢键网络的有效破坏，该电解液在40 ℃时仍保持2.21 mS cm^-1的高离子电导率。Zn||Zn对称电池在30 ℃下循环寿命超13000小时，40 ℃下更是达到6692小时；Zn||VO₂@VO全电池在40℃、0.2 A g^-1 条件下，经过3500次循环后容量保持率接近100%。

该电解液不仅解决了低温和界面稳定性问题，还实现了全面性能提升。在室温下，Zn||VO₂@VO全电池在10.0 A g^-1下循环3000次，容量保持率仍达75%；24小时自放电率仅11.88%，远优于空白电解液的41.4%。同时，电解液能有效抑制正极钒溶解，避免活性物质溶解导致的容量衰减，且适配高载量电极（10.0 mg cm^-2），为规模化应用奠定基础。

Gradient chaotropic regulation of Zn²⁺ solvation chemistry for low-temperature zinc metal batteries

陈仕谋教授简介： 陈仕谋，北京化工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家杰青。主要从事锂离子电池、固态电池、锌离子电池关键材料、储能器件及产业应用等方面的研究。在Nat. Comm.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Energy Environ. Sci.; ACS Nano; Adv. Funct. Mater.等杂志发表SCI论文160余篇，授权国家发明专利30余项。承担国家重点研发计划课题，国家自然科学基金委杰青、优青、面上、重大研究计划培育，中科院纳米先导专项课题，北京市科委重大项目、郑州市重大专项等10余项课题。曾获2014离子液体与绿色过程青年创新奖，2017年中科院百人计划终期考核优秀；2017年入选江苏省双创人才；2018年入选“智汇郑州”国家级领军人才，2019年获国家自然科学基金委优青项目资助，2023年入选英国皇家化学会会士，2024年获国家自然科学基金委杰青项目资助。

汪国秀教授简介：汪国秀，悉尼科技大学杰出教授、清洁能源技术中心主任，澳大利亚基金委工业桂冠科学家(Australian Industrial Laureate Fellow)，澳大利亚科学院院士，澳大利亚工程院院士，欧洲科学院院士。他是国际电池领域公认的领袖级人物之一，是材料化学、电化学、能量存储和转换以及电池技术方面的专家。目前，担任《Electrochemical Energy Reviews》（Springer-Nature）以及《Energy Storage Materials》（Elsevier）的副主编。研究兴趣包括锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池以及用于氢生产的电催化。目前已发表850多篇经过同行评议的期刊论文， 包括Nat. Energy, Nat. Cat., Nat. Comm., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., 等高水平杂志。论文被引用超过97000余次，h指数为171（谷歌学术）。被Web of Science/Clarivate Analytics评选为材料科学和化学领域的高被引科学家。