协同溶剂化工程让锌阳极在宽温域下实现超高可逆性！

第一作者：刘志博

通讯作者：王省超/杨爱凯

单位：新疆大学、厦门瓷新纳米科技公司

水系锌离子电池（AZIBs）凭借本征安全性高、成本低廉、理论容量优异（820 mA h g^–1，5854 mA h cm^–3）的优势，成为可持续储能领域的研究热点。但其商业化进程受三大核心问题制约：锌枝晶无规生长、电极/电解液界面副反应（析氢、表面钝化）、电解液低温冻结导致的离子电导率骤降，这也让AZIBs难以应用于冬季电网储能、航空航天等极端温度场景。现有低温电解液策略（低共熔电解液、防冻凝胶电解液）虽能一定程度缓解冻结问题，却牺牲了离子电导率和反应动力学，导致倍率性能与循环稳定性下降；离子液体具备低熔点、绿色安全的固有优势，但其在AZIBs低温场景的应用仍未被充分探索，尤其缺乏阴阳离子协同抑制枝晶与低温适配的机理解析，成为该领域的研究焦点。

近日，新疆大学王省超教授与厦门瓷新纳米科技公司杨爱凯研究员团队合作，设计了一种分子工程化的Zn(OTF)₂/[EMIM]BF₄-H₂O杂化电解质体系，通过创新的阴阳离子协同溶剂化工程，同时解决了水系锌离子电池锌枝晶生长、界面副反应和电解液低温冻结三大难题。团队通过系统筛选有机阳离子（EPY⁺、PY₁₂⁺、EMIM⁺）和阴离子（OTF^-、TFA^-、BF₄^-），揭示了[EMIM]BF4的独特双效作用机制：EMIM⁺选择性吸附于锌的高活性晶面，引导Zn²⁺沿热力学稳定的（002）晶面定向沉积；BF₄^-可动态重构Zn²⁺溶剂化壳层，破坏水分子氢键网络并抑制冰核形成。同时，该体系还能原位形成富ZnS/ZnF₂的无机SEI层，进一步稳定电极界面。基于该电解质的Zn||Zn对称电池在-50℃下实现14000 h超长循环；Zn||PANI全电池在-50℃下循环3500次后容量保持率≥99%，性能远超现有低温水系锌离子电池，为极端环境储能电池的电解质设计提供了新范式。

通过DFT计算和XPS分析发现，与EPY⁺、PY₁₂⁺相比，EMIM⁺对Zn (100)和Zn (101)晶面具有更高的吸附能（-1.102 eV、-1.109 eV），而对Zn (002) 晶面吸附能仅为-0.767 eV。这种晶面选择性钝化效应，能引导Zn²⁺定向沉积于热力学稳定、无枝晶的Zn (002)晶面，且该调控作用在-50℃的低温环境下仍能保持，从根源上抑制锌枝晶的成核与生长。

MD 模拟表明，BF₄^-与刚性的OTF-/TFA-不同，其能随温度变化动态调控Zn²⁺溶剂化壳层结构，BF₄^-可动态重构Zn²⁺溶剂化壳层。同时BF₄^-可破坏水分子氢键网络，形成O–H...F网络抑制冰核形成，使电解质玻璃化转变温度低至-115℃，在-50℃仍保持优异的离子电导率（1.91 mS cm^-1），解决了低温下电解液冻结、离子传输受阻的问题。

XPS分析与截面SEM表征表明，50% EB电解质可诱导锌负极表面形成致密、均匀的F/S/B富无机SEI层，该SEI层由ZnF₂、ZnS、BF₄⁻衍生物等组成，与纯水电解质形成的有机主导SEI层截然不同。该无机SEI层不仅能抑制析氢、锌腐蚀等副反应（腐蚀电流密度降至5.806×10^-4 mA cm^-2），还能加速Zn²⁺界面扩散，降低电荷转移电阻，实现电极/电解液界面的长期稳定。

该电解质体系在-50℃至50℃的宽温区均表现出优异性能：Zn||Zn对称电池在-50℃、0.1 mA cm^-2下循环超14000 h，50℃下循环超200 h，且在-50℃→25℃→50℃变温条件下可稳定循环1000 h，具备优异的冻融稳定性；Zn||PANI全电池在-50℃、0.1 A g-1 下循环3500圈后容量保持率≥99%，比容量仍达101 mA h g^-1；制备的5 cm×5 cm Zn-PANI软包电池，在0.5 A g^-1下初始比容量126 mAh g^-1，200次后容量保持率90.5%，展现出良好的规模化应用潜力。

本研究揭示了离子液体电解液中阴阳离子协同作用的核心机制，为水系锌离子电池的宽温区电解质设计提供了全新思路。未来可基于该协同溶剂化工程策略，进一步筛选适配的离子液体阴阳离子对，优化电解液与正极材料的兼容性，同时结合电极结构设计，推动宽温区水系锌离子电池在极端环境储能场景的实际应用。

Synergistic Solvation Engineering of Ionic Liquid Electrolytes Enables Highly Reversible Zn Anode under Wide Temperatures

王省超，新疆大学化学学院教授，博士，博士生导师，入选自治区天山英才青年拔尖人才等计划。致力于煤基碳电极材料及电解液的设计制备、性能与机制的研究，先后主持国家自然科学基金、自治区杰出青年基金等省部级以上科研项目10余项。在eScience、Energy Environ. Sci.、Chem, ACS energy lett.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Science Bulletin等刊物上发表SCI论文80余篇，曾获获新疆维吾尔自治区自然科学一等奖和优秀学术论文一、二、三等奖。

杨爱凯，研究员，工学博士，硕士生导师，毕业于德国亚琛工业大学（材料工程），曾任职于德国于利希研究中心、吉利硅谷（谷城）科技有限公司，现为瓷新（厦门）纳米科技有限公司技术总监。长期从事硅基材料在能源领域的研究与产业化应用。研究成果发表在eScience、ACS energy lett.、Adv. Funct. Mater.、Carbon Energy、JEC、ACS Nano等期刊。

课题组常年招收有志青年博士、博后、研究生加入（xcwang@xju.edu.cn）