中科院青岛能源所崔光磊，最新Angew：绕开水系困局，非质子电解质攻克ZnO在可逆锌-氧电池中的电化学转化谜题！

第一作者：张庆威、王佳、杨武海

通讯作者：赵井文*，郭自洋*，孔庆宇*，崔光磊*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，内蒙古大学，法国同步辐射光源实验室

传统的水系Zn-O₂电池虽因高能量密度和安全性备受关注，但其实际可充电性能一直不尽如人意，这主要源于电解液的持续消耗、腐蚀以及ZnO在Zn负极侧演变为绝缘副产物等一系列不可逆的副反应。相较于水系电解质中OH⁻离子的传输和其他Metal-O₂电池的发展，Zn²⁺离子驱动的可逆电化学仍然是一个未解之谜。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊（国家杰青）、赵井文、内蒙古大学郭自洋联合法国同步辐射光源孔庆宇教授团队，在可充电锌-氧（Zn-O₂）电池领域取得重大突破。研究团队通过非质子电解质（Zn(OTF)₂/DMSO）和Ru基催化剂的协同作用，首次实现了由Zn²⁺离子直接驱动的O₂/ZnO四电子可逆转化，揭示了其全新的电化学机制。该研究重新定义了ZnO作为放电产物的来源和归宿：1）不依赖于水系环境中的Zn(OH)₄²⁻中间体的化学转化，而是源于一步电化学还原；2）不担心在Zn负极表面演变为阻碍Zn²⁺离子传输的绝缘副产物，而是在正极界面处的原位生成/分解。尤为关键的是，作为有效放电产物的ZnO不再是化学惰性的完美晶体，而是富含氧空位的缺陷态（ZnOdef）。这种独特的电子结构使其成为高效的能量“中转站”，从而彻底重构了Zn-O₂电池的化学反应路径。作为概念性的验证，基于该机制组装的非质子基Zn-O₂全电池实现了超过1000 h的长寿命循环，并且采用“三明治”夹层结构的软包电池，在高放电深度(DODZn = 40%)和高面容量(10 mAh cm−2)下展现出120 Wh kg⁻¹的能量密度。此项突破性工作不仅证明了基于O₂/ZnO可逆反应机制的锌电池技术的可行性，也为超越传统方案、开发下一代高性能锌基电池奠定了坚实的基础。

基于“软硬酸碱”理论和其他金属-氧气电池中放电产物间的关系，该图揭示了最终正极放电（氧还原）产物与阳离子的路易斯酸性之间的关联规律：随着路易斯酸性从K+增强至H+（质子），产物也从超氧化物（单电子转移）到氧化物（四电子转移）演变。该规律证实了Zn²⁺在非质子电解质中发生ZnO/O₂转化反应的理论可行性。

该图通过对比设计的非质子电解质和传统的碱性电解质，证实了非质子型Zn-O₂电池在循环寿命、稳定性、Zn负极利用率以及能量效率等方面的综合优势。此外，不同气氛下的CV测试表明，其氧化还原反应对O₂的高度依赖性。这共同证明了O₂在非质子电解质中的优异稳定性，该研究为深入探究其反应机制及潜在应用奠定了坚实基础。

该图聚焦于放电产物的识别，通过一系列表征手段证实ZnO是正极上唯一可逆形成/分解的产物。同时，SEM图像显示，ZnO在经历高度可逆的沉积/溶解过程后，依然能保持良好的形貌。

该图围绕原位电化学展开，研究了室温下ZnO/O₂四电子反应的可逆性。通过定量分析预负载的商业ZnO与电化学ZnO的分解过程，揭示了电化学ZnO可能具有独特结构的关键作用。此外，氧气与电子转移的量化以及18O₂同位素的分析，彻底证实了充电过程中释放的O₂几乎全部来源于ZnO分解，确证了ZnO/O₂反应路径在整个化学体系中的绝对主导地位。

该图通过一系列表征，从产物的结构和化学成分方面揭示了电化学ZnO独特的缺陷结构，这种氧空位缺陷被证实是实现室温下ZnO高效可逆分解的关键。DFT计算进一步表明，氧空位也可增强DMSO溶剂吸附、降低Zn-O键能和分解过程中的反应能垒，共同构建了以缺陷驱动为核心的ZnO/O₂可逆反应新机制。

该图展示了一种夹层式Zn-O₂半固态电池的设计，其可在40%的高放电深度和10 mAh cm⁻²的高面容量下稳定循环，实现了约120 Wh kg⁻¹的实际能量密度，证明了该化学体系的潜在实用性。同时，对多种电解液和催化剂的探索也为后续性能优化提供了关键依据。

Zhang, Q., Wang, J., Yang, W., Du, X., Zhao, J., Wang, J., Lu, G., Chen, Z., Ge, X., Xiao, J., Guo, Z., Kong, Q., & Cui, G. (2025). Rechargeable Aprotic Zinc-Oxygen Batteries with Reversible ZnO Formation on Cathodes. Angewandte Chemie International Edition, e202519306.

崔光磊，研究员，博士生导师，国家新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，国家深海和极地关键技术与装备专项超高比能固态锂电池项目首席科学家、中科院战略性先导性科技专项A类项目深海智能技术副总师、国家“万人计划”，科技部中青年科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家。曾获得中科院“百人计划”终期评估“优秀”、山东省技术发明一等奖、山东省自然科学一等奖、青岛市自然科学一等奖、青岛市科技进步（颠覆性技术探索类）一等奖等奖项。2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位，2005年9月至2009年先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。2009年2月以中科院百人计划研究员到中科院青岛生物能源与过程所工作，现任深海电源系统山东省工程研究中心主任，先进储能技术研究室主任，青岛储能产业技术研究院执行院长、中科丰元高性能锂电池材料研究院执行院长，国际聚合物电解质委员会理事、中国造船工程学会第一届深海装备技术学术委员会委员、国际储能与创新联盟理事、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、中国化学会电化学专业委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员、中国化学会能源化学专业委员会委员、Macromolecular Chemistry and Physics国际咨询委员会委员、Battery Energy期刊副主编等。近几年主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。先后在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Nat. Energy、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等发表文章400多篇，他引30000多次。2022年、2023年被评为科睿唯安“全球高被引科学家”（交叉领域）。