Nature子刊重磅|新加坡杨会颖团队提出“双结构破坏”策略，打造高效镉金属电池- 大数跨境

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Nature子刊重磅|新加坡杨会颖团队提出“双结构破坏”策略，打造高效镉金属电池

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2025-07-11

导读：Nature子刊重磅|新加坡杨会颖团队提出“双结构破坏”策略，打造高效镉金属电池

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文章信息

Dual-structure-breaking electrolyte enables practical cadmium-metal battery

第一作者：崔仰峰，宋浩斌

通讯作者：杨会颖*

单位：新加坡科技设计大学

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研究背景

水系金属电池因其高安全性与低成本而备受关注，尤其适用于可再生能源的大规模储能。然而，金属负极在水中普遍面临枝晶生长与腐蚀的严重挑战，制约了其实际应用。相比之下，镉（Cd）作为一种兼具抗枝晶、抗腐蚀和多电子转移能力的金属，具备成为水系储能体系负极的巨大潜力，但如何实现其高效可逆沉积/剥离仍缺乏有效电解液设计。

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文章简介

近日，新加坡科技设计大学杨会颖教授团队在《Nature Communications》发表研究成果，报道了一种由 CdCl₂ 与 NH₄Cl 构成的双结构破坏型电解液（SBE），成功实现了高效、无枝晶、抗腐蚀的可逆Cd电沉积与剥离。

该体系中，NH₄⁺ 和 [CdCl₄]^2- 两类结构破坏离子的协同作用，破坏了水的氢键网络、降低了溶液黏度，并显著提升了电荷转移动力学，使得电解液在保持高Cd利用率（55%）的同时，实现了 99.93% 的电化学效率和超过 229小时的循环稳定性。

更重要的是，该Cd负极体系展示出对多类正极材料（如V₂O₅、活性炭、CdI₂、PANI等）的良好兼容性，在不同类型的全电池中均表现出优异的倍率与循环性能，展示出良好的实用化与扩展潜力。

Fig. 1. ACBs for energy storage applications.

本文中使用了科学材料站如下产品：

Swagelok2E002 电池测试硬件（两电极）

Swagelok3E2e三电极电池测试硬件

Fueiceel® BM03耐腐蚀电池测试夹具（可拓展成堆）

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本文要点

要点一：提出“双结构破坏”电解液策略，首次应用于Cd金属电池体系

Fig. 2. Fundamentals of structure maker and structure breaker.

本研究首次引入“双结构破坏（Dual Structure-Breaking）”策略来调控水系电解液的溶剂化结构与电化学性能，通过引入：

1.NH₄⁺（阳离子结构破坏者）：打乱水分子间氢键网络，减少局部水聚集，缓解析氢；

2.[CdCl₄]^2-（阴离子配位结构调控者）：稳定Cd²⁺溶剂化结构、形成可控的络合结构，提升还原选择性。

Fig. 3: Proposed dual-structure-breaking electrolyte.

两者协同作用降低溶液有序性、提高离子迁移率并拓展电化学窗口，在不依赖极端pH或添加有机溶剂的前提下，构建稳定、高效的Cd电沉积环境，为可逆金属负极体系的界面工程提供新思路。

要点二：实现高利用率（55%）下的高电化学效率（99.93%）与无枝晶沉积

Fig. 4: Kinetics-controlled Cd plating behavior.

在模拟实际电池运行条件下，镉负极表现出 99.93% Coulombic efficiency（CE），远高于此前报道；在 55% 金属利用率（较接近实际装置）的条件下依然维持高效率，说明电解液调控不仅限于理想状态；对称电池测试中表现出超过 229 小时的无枝晶沉积/剥离稳定性，打破了传统Cd金属负极因腐蚀、副反应而无法长时工作的认知；显示出其在高能量密度、长寿命电池系统中可实际应用的潜力。

Fig. 5: Corrosion-resistant and dendrite-free Cd electrode.

要点三：体系兼容性强，适用于多类正极构建高性能全电池

Fig. 6: Rechargeable capability of high-loading Cd||CdI2 full cells in 1 C and 1C6N electrolytes.

本工作进一步验证了该Cd负极+SBE体系的广泛适配性：成功构建了与插层型（V2O5）、转换型（CdI2）、赝电容型（PANI）、双电层型（活性炭）正极的多种全电池；所有体系均表现出优异的倍率性能与长循环寿命；说明该策略不仅在负极层面有效，同时对整体体系的离子输运、界面匹配也有积极贡献。

Fig. 7: Practicality of ACBs.

科学意义：突破以往金属负极“对正极兼容性差”的局限，为开发实用化、多场景可扩展的水系金属电池体系提供通用性解决方案。

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文章链接

Dual-structure-breaking electrolyte enables practical cadmium-metal battery

https://www.nature.com/articles/s41467-025-60740-2

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通讯作者简介

Professor Hui Ying Yang (杨会颖)

杨会颖（Prof. Hui Ying Yang）目前为新加坡科技设计大学教授、博士生导师。2010年加入新加坡科技设计大学任教，将于2025年8月入职新加坡国立大学。 2011年在麻省理工学院机械工程系工作一年，并于 2016年升任终身副教授，2022年升任终身教授。现任东盟工程院院士Fellow of ASEAN Academy of Engineering and Technology (FAAET)，英国皇家化学学会会士(Fellow of royal society of chemistry (FRSC))，新加坡工程师学会会士(Fellow of Institution of Engineering Singapore(FIES))，美国材料学会,美国工程学会，新加坡物理学会，新加坡化学学会及材料学会会员。她荣获多项国际科技奖项，其中包括2013年获新加坡杰出青年工程成就奖、2013年获陈嘉庚青年发明家奖、2014年获美国工程学会杰出青年奖及 2018年获新加坡物理学会纳米科技奖，2023 年新加坡杰出女化学家奖等。主持多个国际及新加坡国家重大项目研究课题工作。迄今为止，在Nat. Commun., Sci. Adv., Chem, Matter, Adv. Mater, Energy Environ. Sci等期刊上发表 SCI论文 400 余篇，她引超过29000 次，H指数 100。

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第一作者介绍

崔仰峰，博士，现任新加坡科技设计大学（SUTD）工程产品开发部research fellow。崔博士长期专注于水系金属电池及电解液界面科学研究，已在 Nature Communications、Science Advances、Joule 等国际顶级期刊发表论文数十篇，并拥有多项相关专利。崔博士的工作为高能量密度的下一代水系储能器件奠定了关键基础。