浙江大学谷长栋AM：胶束电解液实现局部锁水，打造超稳定水系锌钒电池

第一作者：张晨

通讯作者：谷长栋*

单位：浙江大学

水系锌离子电池因其安全性高、成本低、资源丰富等优势，在大规模储能领域具有广阔前景。钒基正极材料因其高比容量（>300 mAh g⁻¹）而备受关注。然而，高活性的水分子会引发级联失效，如钒溶解、质子插层、析氢反应等，尤其在低电流密度下（<0.5 A g⁻¹）更为严重，严重限制了电池的循环寿命。本文基于电解质中水活度的调控，对电极-电解质界面稳定性进行了系统研究。

近日，浙江大学谷长栋教授团队在国际顶级期刊《Advanced Materials》上发表题为“Localized Water Confinement via Micellar Electrolyte for Aqueous Zinc‐Vanadium Batteries”的研究论文。该研究提出利用表面活性剂CTAB构建胶束电解液，实现局部水分子限制，有效抑制水引发的级联失效，显著提升了钒基水系锌离子电池正负极两侧的稳定性。文章深入分析了胶束电解质关于水活度抑制与动力学权衡，最终使全电池实现了超过17000次的超长循环寿命。

通过在Zn(OTF)₂电解液中引入CTAB，形成CTA⁺胶束结构，将水分子限制在胶束内部，降低水活性。同时，Br⁻进入Zn²⁺第一溶剂化层，重构其溶剂化结构，减少配位水分子数，进一步抑制水引发的副反应。

CTA⁺通过静电作用插入V–O层间，形成(CTA, Ca)VO正极，层间距从13.14 Å扩大至13.82 Å，增强了离子传输通道。此外，CTA⁺在电极表面形成双电层，提升界面电荷转移能力，随着电压扫描速率提升，赝电容贡献从79.6%提升至93.6%。

CTA⁺在循环过程中发生电化学分解，参与形成富含ZnF₂、ZnS、ZnCO₃等组分的有机-无机复合SEI/CEI层，有效保护锌负极与钒基正极界面，抑制副反应与结构退化。

Zn||(CTA, Ca)VO全电池在0.1/0.2/4.0 A g⁻¹下分别实现150/300/17,700次循环后容量保持率93.57%/98.78%/82.17%，在-20°C下也表现出优异的低温性能。该策略还可拓展至NaVO、BaVO等其他钒基材料、准固态电池及无负极电池中。

Localized Water Confinement via Micellar Electrolyte for Aqueous Zinc‐Vanadium Batteries

谷长栋, 浙江大学 副教授。主要研究领域：(1)能源材料；(2)表面处理。主要研究成果：围绕材料表/界面改性技术，在电化学储能、金属防腐蚀等领域开展研究工作。目前已在Advanced Materials，Energy Environ. Sci.，ACS Energy Lett., Nano-Micro Lett., J. Power Source、Surf. Coat. Technol.等专业期刊上发表论文100余篇。