中国计量大学宗泉&中南大学潘安强ESM：仿生渗透压调节剂实现水系锌离子电池的全天候运行- 大数跨境

首页

中国计量大学宗泉&中南大学潘安强ESM：仿生渗透压调节剂实现水系锌离子电池的全天候运行

科学材料站

2025-07-18

导读：中国计量大学宗泉&中南大学潘安强ESM：仿生渗透压调节剂实现水系锌离子电池的全天候运行

科学材料站

文章信息

仿生渗透压调节剂实现水系锌离子电池的全天候运行

第一作者：宗泉，刘雪莲

通讯作者：宗泉，潘安强

单位：中国计量大学，中南大学

科学材料站

研究背景

水性锌离子电池凭借其高安全性和经济性优势，已成为大规模储能领域的代表性技术。然而，锌枝晶、副反应以及有限的工作温度窗口等问题，严重制约了其实用化进程。目前，研究人员采用多种策略来引导锌离子沉积和减轻寄生反应，其中，将功能性分子加入水性电解液中是一种直接而有力的方法。然而，由于电解液结冰，常规添加剂通常在低温环境下失去功效。另一种方法是引入具有多个氢键给体和受体的有机分子或共溶剂，然而，许多有机共溶剂具有低的热稳定性和可燃性，不利于电池高温性能的释放并引起不可控的安全问题。因此，亟需探索一种合适的有机组分，具备氢键供体和氢键受体、环境友好性和不可燃性等特点，以确保电池在低温和高温下稳定运行。

科学材料站

文章简介

本研究开发了一种具有氢键受体与供体功能的生物相容性两性离子渗透剂——脯氨酸，扩展工作温度范围并稳定锌阳极实现性能突破。脯氨酸分子通过破坏水分子的氢键网络，有效降低电解液的冰点并抑制析氢反应，从而实现全气候适应性。此外，脯氨酸分子重构了Zn²⁺的溶剂化结构，优先吸附于锌表面，促进沿（002）晶面的Zn²⁺同质外延生长，显著抑制枝晶形成和副反应。实验表明，Zn||Zn对称电池在50℃（0.5 mA·cm⁻²和0.5 mAh·cm⁻²）条件下可稳定运行3000小时，在-30℃（0.2 mA·cm⁻²和0.2 mAh·cm⁻²）条件下则可达4000小时。全电池在-30-50℃宽温区间内表现出优异的循环稳定性。

科学材料站

本文要点

1、仿生引入脯氨酸实现宽温域稳定：受耐寒生物启发，在ZnSO₄电解液中引入天然两性离子氨基酸脯氨酸，有效降低冰点并维持低温下高离子电导率，使水系锌离子电池（ZIBs）能在 -30 °C 至 50 °C 的极宽温度范围内工作。

2、双重界面调控抑制冰晶与枝晶：脯氨酸在冰/电解质界面优先吸附于新生冰核，形成纳米曲率物理阻碍冰晶生长；同时重塑 Zn²⁺溶剂化结构并引导其沿 (002) 晶面均匀沉积，有效抑制锌枝晶形成。

3、卓越的宽温度循环性能：使用脯氨酸修饰电解质的Zn||Zn对称电池和Zn||Cu非对称电池展现出长循环寿命和高可逆性。全电池在-30 °C/0.5 A g-1循环500次后容量达82 mAh g-1，在50 °C/4 A g-1循环500次后容量保持率高达85.8 %。

科学材料站

图文导读

图1 脯氨酸添加剂电解液的理化性质

a)脯氨酸的分子结构。b)脯氨酸与水分子的相互作用。c)1H NMR谱图。d)FTIR谱图。e)拉曼光谱。f)pH值和离子电导率。g)不同温度下电解质的状态(L表示液体,S表示固体)。h)不同温度下ZnSO₄和P-ZnSO₄的离子电导率。i)P-ZnSO₄电解质的MD模拟快照。j)P-ZnSO₄电解质中RDFs和相应的CN。

图2 电极/电解液界面特性

a)脯氨酸的静电势分布。b)微分电容-电势曲线。c)EDLC测量。d)浸泡Zn电极的N 1sXPS谱。e)Zn电极的CA曲线。f)Zn||Ti不对称电池的CV曲线。使用g)ZnSO₄和h)P-ZnSO₄电解液的Zn||Zn对称电池的原位DRT曲线.i)镀锌过程的原位显微图像。j)50次循环后Zn电极的CLSM图像。k)相应的表面轮廓。l)Tafel曲线。m)LSV轮廓。n)电镀/剥离过程中电解液的原位pH测量。o)拟合的活化能。

图3 电解液在不同温度下的界面行为

a)ZnSO₄和P-ZnSO₄的DSC图。b)H₂O和脯氨酸在Zn晶面的吸附能。(c)ZnSO₄和(d)P-ZnSO₄电解液在-30 ℃下0 ns和100 ns的MM-MD模拟。e)P-ZnSO₄电解液在-30 ℃、30 ℃和50 ℃下循环50次和100次后沉积Zn的SEM照片和XRD图谱。

图4 电池的循环稳定和电镀/剥离性能

采用ZnSO₄和P-ZnSO₄电解液的Zn||Zn对称电池在a)-30 °C和b)50 °C下的长循环性能。c)Zn||Zn对称电池在DOD为42.5%下的循环稳定性。在d)-30°C，e)30°C和f)50 °C下，用ZnSO₄和P-ZnSO₄电解液对Zn||Cu非对称电池进行CE测试。g)Zn||Zn对称电池在0.5 mA cm^-2和0.5 mAh cm^-2下的搁置-恢复性能。h)工作温度和循环寿命与最近报道的工作进行比较。g)Zn²⁺在电解液有/没有脯氨酸中沉积的示意图。

图5 全电池在不同温度下的电化学性能

a)不同温度下Zn||NVO全电池在0.2 A g^-1下的放电容量。b)P-ZnSO₄电解液中Zn||NVO全电池的电压曲线。c)P-ZnSO₄电解液中Zn||NVO全电池在-30 °C下的倍率性能。Zn||NVO全电池在d)30 °C和4 A g^-1下的循环性能，e)-30 °C和0.2 A g^-1下的循环性能，f)50 °C和4 A g^-1下的循环性能。g)Zn||NVO软包电池在30 °C和1 A g^-1下的循环性能。h)Zn||NVO软包电池在不同温度下工作的光学照片。