中科院大连化物所陈忠伟院士/汪冬冬/罗丹&吉林师范大学冯明ACS Nano:低自放电纳米限域水凝胶电解质实现稳定高能量密度水系锌碘电池

第一作者：刘人鸣

通讯作者：汪冬冬*，罗丹*，冯明*，陈忠伟*

单位：大连化学物理研究所，长春理工大学，吉林师范大学

水系锌-碘电池（AZIBs）因其高安全性、丰富的碘资源和四电子氧化还原潜力，被视为极具前景的储能技术。然而，其广泛应用面临两大核心挑战：一是聚碘化物穿梭效应，导致活性物质损失、自放电增加；二是I+物种的水解，消耗活性物质并降低可逆性。这两大问题严重限制了电池的循环寿命和能量效率。现有解决方案包括阴极材料工程、催化介质和电解液优化（如添加剂、高浓度或水合共晶电解质），这些方法虽有成效，但在高负载阴极和Ah级大容量电池场景下，仍难以同时实现高效抑制穿梭和水解，导致长寿命、高能量密度的AZIBs开发面临瓶颈。近期研究表明，水凝胶电解质在锌碘四电子电池中具有显著优势，可有效抑制水的活性、减少I⁺的水解副反应。然而，目前所用的凝胶电解质受内在结构的局限性，很难实现在高载量碘正极和大电流条件下的稳定循环。因此，进一步提升凝胶电解质的机械性能和锌离子迁移速率至关重要。

近日，大连化学物理研究所陈忠伟院士，汪冬冬研究员，罗丹研究员和吉林师范大学冯教授在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Low-Self-Discharge Nanoconfined Hydrogel Electrolyte for Stable High-Energy-Density Aqueous Zinc−Iodine Batteries”的研究论文。提出了一种创新性的纳米限域水凝胶电解质（MNPHE），旨在解决水系锌-碘电池（AZIBs）在高能量密度和长循环寿命方面的关键挑战。通过采用纳米限域聚合策略，将介孔纳米颗粒SBA-15引入水凝胶电解质中，实现了骨架限域、阴离子限域和自由水限域等多重限域效应。显著提升了电解质的机械强度和Zn²⁺迁移数，有效抑制了聚碘化物生成和I⁺物种水解，从而大幅增强了四电子锌碘电池中I^-/I⁰/I⁺氧化还原化学的可逆性和动力学，提升了电池的循环寿命。并成功构建了具有高能量密度的安时级四电子锌碘软包电池，这为未来安全、高能量密度的电网级储能技术奠定了基础。

研究通过纳米限域聚合策略开发了介孔纳米颗粒SBA-15增强的水凝胶电解质（MNPHE），其独特的骨架限域、阴离子限域和自由水限域效应，通过路易斯酸碱相互作用和氢键网络实现协同调控。该设计不仅赋予电解质超高的机械强度（拉伸强度达501 kPa）和创纪录的Zn²⁺迁移数（t_Zn²⁺=0.95），还显著抑制了多碘化物穿梭和I+物种水解，为高负载碘正极的稳定运行奠定了基础。

基于MNPHE的Zn||I₂全电池在开路静置三个月后库伦效率高达80%，展现了极低的自放电特性。同时，Zn||I₂全电池在25 C高倍率下实现了10万次循环的超长寿命，突破了现有水系四电子锌碘电池的循环稳定性极限。

研究成功制备了Ah级（≥1 Ah）四电子锌-碘软包电池，其展现出优异的循环稳定性（稳定运行超过800次循环）。该软包电池的质量比能量密度高达466.7 Wh kg^-1，超越了目前已报道的Ah级水系锌金属电池，预示着MNPHE在开发高能量密度、本质安全的电网级储能技术方面具有巨大的应用前景。

“Low-Self-Discharge Nanoconfined Hydrogel Electrolyte for Stable High-Energy-Density Aqueous Zinc−Iodine Batteries”

陈忠伟，研究员，博士生导师，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，能源催化转化全国重点实验室主任，中国科学院大连化物所动力电池与系统研究部部长、动力电池与系统研究中心主任。加拿大皇家科学院委员会委员，国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席。2008年获美国加州大学河滨分校博士学位；2008-2023年在加拿大滑铁卢大学任教，先后担任助理教授、副教授、教授；2018-2023年担任加拿大滑铁卢大学电化学能源中心主任。荣获国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、全世界TOP100,000科学家、全球能源科学与工程领域高被引学者、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家（Tier I）、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、2018年卢瑟福纪念奖章、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等多个国际奖项，2018-2023年被评为“科睿唯安高被引科学家”。陈忠伟院士长期从事电化学能源存储与转化领域核心科学问题和关键技术的研发，在新型电催化材料创制和催化机理探究、下一代可持续高安全和高能量密度电池体系开发和应用研究、人工智能电化学互联体系研发等方面取得了一系列国际认可的原创性和系统性成果，多项技术指标达到国际领先水平。在重要学术刊物上发表论文600余篇，被引次数达70，000余次，H因子达133，另编著书3部，申请中国、美国及国际专利超150项，任中国化学会Renewables期刊主编，Royal Society of Chemistry -Energ. Environ. Book Series主编，曾任ACS Appl. Mater. Interfaces副主编。

汪冬冬，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，入选中国科学院专项人才项目、大连化物所“张大煜青年学者”及辽宁省兴辽英才计划。申请人主要专注于动力及储能电池体系及其功能电解液基础研究与开发，具体涵盖：(1) 下一代锂/钠电池新型功能电解液体系探索开发及基础科学问题研究；(2) 安全、绿色、低成本高电压水系锌离子储能电池；(3) 高比能锂金属动力电池在极端领域应用下的新型电解液开发（包括宽温域、快充、高电压等）。近五年来，以第一/通讯作者在Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等高水平期刊发表学术论文30余篇，ESI前1%高被引论文5篇，申请发明专利11件。承担国家自然科学基金委青年科学基金等项目。担任Materials Report Energy、Renewables等期刊的青年编委。

罗丹，研究员，博士生导师，入选国家级高层次海外人才（青年项目），大连化物所“张大煜青年学者”。围绕锂金属电池、固态电池、锂硫电池等存在的关键科学问题与干法电极制备、电化学互联表征等关键技术问题开展研究工作。从电极结构设计、电化学反应机理等方面入手，解决锂金属电池中正负极反应动力学迟缓、界面稳定性差、厚电极制备难等问题。通过对正极活性位点结构设计及反应动力学调控、锂负极界面SEI功能化设计及锂沉积行为调控和固态电解质离子传输通道限域结构构筑等实现快速高效的电化学反应。借助干法电极技术制备电极及电解质，提升电池能量密度及循环寿命。目前已发表SCI论文150余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Communications, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Chemical Society Reviews等高水平期刊上发表论文50余篇，被引8500余次，H因子54。

冯明，吉林师范大学物理学院二级教授，博士生导师，荣获“全国优秀教师”、享受国务院政府特殊津贴专家、吉林省高层次“B类人才”、吉林省杰出青年科学基金获得者、首批吉林省“长白山领军人才”、吉林省拔尖创新人才、吉林省有突出贡献专家、吉林省青年科技奖获得者。主要从事二次电池关键材料开发与应用、外物理场耦合光电催化反应设计及其界面动力学研究。现任吉林省电池与光电催化电极材料国际联合研究中心主任，兼任中国稀土学会固体科学与新材料专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员、中国化工学会化工新材料专业委员会委员、中国硅酸盐学会微纳技术分会理事、中国机械工程学会工程陶瓷专业委员会理事、《Nano-Micro Letters》、《Journal of Advanced Ceramics》、《Advanced Powder Materials》、《Chinese Chemical Letters》、《Rare Metals》、《Energy Materials》、《Battery Energy》、《Tungsten》、《硅酸盐学报》期刊编委/青年编委。先后主持国家自然科学基金项目5项；吉林省科技发展计划重点研发项目、省杰出青年科学基金、省“长白山领军人才”项目等省部级项目10项。作为第一完成人，获吉林省自然科学二等奖1项、吉林省自然科学三等奖1项。现已在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc.等国际知名期刊上发表论文130余篇，获授权发明专利10余项。

刘人鸣，女，博士，就读于长春理工大学物理学院，目前在大连化学物理研究所进行联合培养。从事水系锌离子电池电解质的设计工作。

动力电池与系统研究部隶属于能源催化转化全国重点实验室，以加拿大皇家科学院和加拿大工程院陈忠伟院士为核心组建的高水平创新研究团队。动力电池与系统研究部面向国家在能源革命中对低成本、高容量、高安全性、高便利性的新型电池技术的重大需求，聚焦动力电池领域的关键科学与技术问题，开展电化学、能源、材料、人工智能等多学科交叉融合的创新研究。研究方向包含高比能/高比功率锂基电池、高安全性钠离子电池、低成本锌空气/锌离子电池、固态电池、燃料电池、二氧化碳电催化转化、人工智能电池管理。主要围绕催化剂创新创制、电池材料开发、电池工作机制探究、新型电池结构设计、储能方法学研究、人工智能电池管理系统开发、工艺工程以及产业化开发等核心问题，开展包括基础研究、应用技术研发和产业化示范在内的系统性全链条式的研究工作。

本团队常年招聘博士后，主要聚焦于水系锌离子电池、锂离子电池固态电解质设计以及高比能动力电池方向，待遇优厚，有意者请联系罗丹老师（luodan@dicp.ac.cn）