陈忠伟院士&汪冬冬研究员，最新Nature子刊！高温水系电池系列第一弹：新型湿砂电解液突破水系锌金属电池高温极限

第一作者：任婧萱

通讯作者：汪冬冬*，陈忠伟*

单位：中国科学院大连化学物理研究所

水系锌金属电池凭借其高安全性、低成本及环境友好性，被视为电网储能的理想技术，但其实际应用长期受困于水的活性引发的瓶颈——高温环境下，自由水分子加速电解液分解，导致锌负极析氢腐蚀、正极材料溶解及气体析出，引发电池膨胀和循环寿命骤降。尤其在航空航天、石油勘探等极端高温场景中，传统水系电解液在60°C以上时副反应失控，严重制约电池可靠性。近期研究表明，通过多相湿砂电解液设计，可显著抑制自由水活性，同步提升高温下的离子传输效率与界面稳定性，为构建宽温域、高安全的水系锌电池提供了新范式。这一突破不仅将推动锌电池在高温储能领域的实用化进程，更为解决极端环境下的能源存储难题开辟了创新路径。

近日，来自中国科学院大连化学物理研究所的陈忠伟院士和汪冬冬研究员，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Multiphase aqueous soggy sand electrolyte for zinc metal batteries applications at elevated temperatures”的研究文章。该文章探讨了极端高温环境下水系锌金属电池的性能衰减机理及电解液稳定性优化策略。该工作设计的多相水系湿砂电解液使水系锌金属电池能够在140 °C的温度下运行，寿命达到1700个循环，电流密度为8 A g^-1。更重要的是，这种电解液的应用使得锌金属软包电池在高温连续操作下能够稳定循环。这项工作为设计能够在热环境中稳定循环的水系电池电解液铺平了道路。

首先对高温下自由水分子的活性展开探究。密度泛函理论（DFT）计算揭示了H₂O-DEG和H₂O-Al₂O₃之间的氢键结合能显著强于H₂O-H₂O的氢键结合能，表明杂相组分有利于打破原有氢键网络；分子动力学（MD）模拟进一步量化了氢键参数，显示MASSE中H₂O-H₂O氢键数量减少、距离延长、角度缩小，印证了游离水分子之间氢键相互作用的削弱。拉曼光谱和傅里叶变换红外（FTIR）光谱的实验数据证实，MASSE中强氢键组分减少，中氢键增加，直观反映了水活性的显著降低。这些发现共同表明，MASSE通过重构氢键网络，从根本上限制了游离水的反应性。

利用分子动力学模拟和X射线吸收精细结构分析，深入揭示MASSE在高温下形成热稳定溶剂化结构的机制。结果表明，在MASSE中，氧化铝纳米颗粒通过静电作用桥接Zn²⁺，构建了缺水的溶剂化鞘层。这种独特的溶剂化结构具有最高的结合能，表现出增强的高温结构稳定性。变温拉曼光谱显示，该电解质在20 °C至140 °C的升温过程中，O-H伸缩峰强度保持稳定，无显著增强，而传统水基电解质则出现盐析或谱带展宽现象，证明了MASSE通过多相组分相互作用重构了氢键网络，形成热不敏感的溶剂化结构。

得益于稳固的溶剂化结构，该电解质在高温下对副反应和锌枝晶生长表现出强大的抑制能力。Tafel曲线显示MASSE在80 °C下具有最小的腐蚀电流和最高的腐蚀电位。腐蚀速率测试进一步证实MASSE优异的抗腐蚀能力。X射线衍射和三维拉曼映射分析揭示，循环后的锌负极在MASSE中几乎无副产物ZOTH生成，凸显了其对副反应的强效抑制。线性扫描伏安法、原位pH监测和原位微分电化学质谱进一步证实MASSE显著抑制了析氢反应的发生。。此外，原位电化学阻抗谱曲线呈现MASSE的界面阻抗随循环逐步降低，反映了稳定的电极/电解质界面形成。这些结果共同论证了MASSE通过优化氢键网络和水缺乏的溶剂化结构，从根本上提升了高温下的电化学稳定性。

进一步探索高温下MASSE对锌沉积/剥离形貌的影响。结果显示，在Zn(OTf)₂-H₂O和Zn(OTf)₂-DEG中，锌沉积呈现随机取向的枝晶和多孔簇状结构，高温下枝晶生长加剧，循环后表面粗糙度高；而MASSE电解质则促进锌的均匀沉积，形成致密平滑的表面，有效抑制枝晶生成，示意图进一步阐释了其通过优化溶剂化结构增强高温稳定性的机制。通过有机-无机-水多相相互作用，重构氢键网络并形成缺水的溶剂化结构，从而有效降低水活性、抑制副反应（如析氢和腐蚀），并促进锌离子的均匀沉积。

图5和图6系统性地展示了MASSE在提升锌金属电池高温性能方面的优势。图5聚焦于半电池的电化学性能，揭示了MASSE在高温环境下对于稳定锌负极方面的优势。Zn||Cu不对称电池在80 °C和1 mA cm^-2条件下实现了98.60%的高平均库仑效率和1200次循环寿命。Zn||Zn对称电池在80 °C下循环超过1120小时，且在极端温度（如140 °C）下仍能正常工作。倍率性能测试中即使电流密度升至8 mA cm^-2仍保持低过电位，展现出卓越的高温耐受性。进一步在全电池体系中验证了MASSE的实用性。Zn||PANI全电池在80 °C高温下仍保持1700次循环寿命，且在高电流密度（8 A g^-1）下容量达65 mAh g^-1，温度适应性测试显示其可在25 °C至140 °C宽温范围内稳定工作。更重要的是，组装的软包电池在80 °C下循环175圈的超长循环寿命，且容量保持良好，红外热成像证实MASSE能均匀分布热量，有效抑制副反应如析氢和腐蚀。

首次报道了一种有机-无机杂化的多相湿砂电解液（MASSE）。二乙二醇和氧化铝纳米颗粒的双重固定极大限制了游离水的活性。多相相互作用诱导缺水溶剂结构的形成，从而使MASSE具有极佳的热稳定性。因此，MASSE有效抑制水引起的副反应，并促进高温下锌的均匀镀层和剥离。

通过实验与理论计算结合，首次揭示了MASSE的热稳定机制。Al₂O₃通过静电作用桥接Zn²⁺，构建了缺水性溶剂化结构，抑制了高温下的溶剂化结构分解。原位拉曼谱显示，MASSE在20-140 °C的O-H伸缩带强度稳定。该工作还通过替换溶剂（醇、砜、酯）和正极材料（Zn||NVO体系）验证了MASSE的普适性，均实现在高温下的长循环稳定性。这种从分子设计到系统验证的多尺度研究，为高温水系电池电解液提供了可推广的范式。

首先，当前对电解液/电极界面机制的了解和研究仍然有限，需开发原位表征技术（如原位同步辐射XAFS或时空分辨拉曼光谱）以实时追踪高温下锌沉积/溶解过程的界面演化。其次，MASSE的多相设计理念可扩展至锂/钠基水系电池体系，助力开发全气候适用的高能量密度储能系统。这些努力将推动水系锌金属电池从实验室走向规模化应用，尤其在电网储能、航空航天等高温高安全场景中，实现长寿命、低成本的能源存储解决方案，加速其商业化进程。

Multiphase aqueous soggy sand electrolyte for zinc metal batteries applications at elevated temperatures

陈忠伟，男，1975年生于浙江省。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，国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席。现任能源催化转化全国重点实验室主任、中国科学院大连化学物理研究所动力电池与系统研究部部长。陈忠伟致力于电化学能源催化转化与储存领域的研究。率先开展了一维纳米贵金属燃料电池催化剂的系统性研究，开创性的提出和设计“动态催化”双功能催化剂并成功应用于兆瓦级锌空气电池；提出“限域表界面”催化新概念，设计了高催化活性、高选择性和持久稳定性的催化剂，取得了国际认可的原创性和系统性成果。在重要学术刊物上发表论文450余篇，其中Nat. Energy 3篇、Nature Nanotech. 1篇、Nat. Rev. Mater. 1篇、PNAS 1篇、J. Am. Chem. 8篇、Angew. Chem. Int. Ed. 18篇、Nat. Commun. 11篇、Adv. Mater. 26篇、Chem. Soc. Rev. 5篇、Chem. Rev. 1篇，被引45000多次，H因子达111，著作3部，申请/授权专利90余项，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。陈忠伟曾连续五年被评为“年度高被引科学家”，全世界TOP100,000科学家、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、全球能源科学与工程领域高被引学者、2018年卢瑟福纪念奖章、国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等国际奖项。

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。

任婧萱，女，博士，就读于东南大学材料科学与工程学院，目前在大连化学物理研究所进行联合培养。主要聚焦于极端条件下储能及动力电池关键材料研究。