云南大学郭洪CCR综述：基于电解质工程的水相锌碘电池优化策略及研究进展- 大数跨境

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云南大学郭洪CCR综述：基于电解质工程的水相锌碘电池优化策略及研究进展

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2026-03-26

导读：云南大学郭洪CCR综述：基于电解质工程的水相锌碘电池优化策略及研究进展

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文章信息

第一作者：赵云玉

通讯作者：云南大学郭洪

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文章背景

在 “双碳” 目标推动下，全球对高效、安全、低成本的大规模储能技术需求愈发迫切。当前商用锂离子电池因有机电解液易燃易泄漏的特性，在电网储能等场景中存在严重安全隐患，难以满足大规模应用需求。水系电池凭借电解液不易燃、电极原料资源丰富、制备工艺简单等优势，迅速成为储能领域研究热点，其中水系锌碘电池（AZIBs）因锌 / 碘资源储量丰富、成本低廉、全生命周期环保及电解液安全性高，成为水系储能系统中最具潜力的技术方向之一。

AZIBs 的锌负极理论体积容量高达 5855 mAh・cm⁻³，质量容量达 820 mAh・g⁻¹，氧化还原电位低（-0.762 V vs 标准氢电极），为电池高能量密度提供核心支撑；碘基正极原料可从海水、盐湖卤水中大规模提取，成本低且价格波动小，相较于依赖钴、镍的传统锂离子电池正极更符合大规模储能需求，同时碘毒性较低，废旧电池中碘回收率超 90%，满足绿色储能系统全生命周期环保要求。然而，AZIBs 商业化进程受限于库仑效率低、循环稳定性不足等问题。核心挑战包括多碘化物穿梭效应、锌负极副反应、水分子寄生反应等，而电解质作为连接正负极的核心调控介质，其优化成为突破性能瓶颈的关键。

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文章简介

基于此，云南大学郭洪教授团队在《Coordination Chemistry Reviews》发表题为 “Optimization strategy and research progress of aqueous Zn‑iodine batteries based on electrolyte engineering” 的综述论文。该文章系统阐明了 AZIBs 的核心储能机制，深入剖析了功能添加剂、深共熔电解质、水凝胶电解质三大核心电解质优化策略的微观调控机理、代表性研究成果及性能增益，全面梳理了当前研究面临的共性问题，并前瞻性地提出多组分协同设计、原位表征技术深度应用、多尺度模拟融合等发展方向，为高性能 AZIBs 的合理设计、性能突破及产业化落地提供了系统性的理论支撑与技术参考。

图1 Zn–I2电池电解质优化策略及代表性工作。

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本文要点

要点一：明确 AZIBs 核心储能机制

AZIBs 储能本质区别于传统锌基电池的金属离子嵌入/脱嵌，核心在于碘物种的可逆价态跃迁，其能量密度、反应动力学与循环稳定性均由碘物种（碘离子、碘单质、多碘化物、高价碘形态）的价态变化决定，且与电解质化学环境（离子组成、溶剂化特性、界面性质）深度绑定。

基于碘物种电子转移路径，储能机制分为两类：

两电子转移机制（I⁻/I⁰）：以 I⁻（-1 价）与 I₀（I₂，0 价）为核心，技术成熟且无需复杂电解质调控，具有高可逆性、副反应少、动力学稳定等优势，适用于大规模电网储能、分布式能源存储站等对循环寿命要求严格的场景；

四电子（或多电子）转移机制（I⁻/I⁰/I⁺）：引入 I⁺（+1 价）高价态，理论比容量达 422 mAh・g⁻¹，是两电子机制的两倍，可突破能量密度瓶颈，但需通过电解质设计稳定 I⁺ 并抑制其水解，适用于便携式电子设备、小型移动储能器件等对能量密度要求高的场景。

图2 AZIBs的能量储存机制

要点二：剖析 AZIBs 电解质核心挑战

当前 AZIBs 电解质面临多维度相互关联的关键问题，形成性能提升的主要瓶颈：

多碘化物穿梭与碘利用率失衡：多碘化物（I₃⁻、I₅⁻等）虽能提升 I₂ 溶解度，但易迁移至负极引发穿梭效应，导致活性物质流失，且碘物种理论利用率较低；

锌负极界面副反应与枝晶生长：Zn 在水系电解液中热力学不稳定，易发生水解反应生成绝缘沉淀，且 Zn²⁺ 分布不均诱导枝晶生长，威胁电池安全并降低 Zn 利用率；

电解液理化性质兼容性不足：高浓度电解液虽能提升能量密度，但会增加粘度、阻碍离子传输；添加剂虽能抑制穿梭效应，却可能降低离子导电性，且电解液易因 O₂ 氧化、水分子分解发生 “预老化”；

电极 - 电解液界面反应协同性欠缺：正极碘氧化还原动力学缓慢，负极 Zn 沉积 / 溶解可逆性差，界面润湿性不佳与脱溶剂化能垒高进一步加剧性能损耗；

高负载与大规模应用适配性不足：高碘负载下电解液溶解能力有限，易析出碘沉淀；高性能电解液多依赖昂贵添加剂，成本与环境友好性难以满足大规模应用要求。

要点三：系统阐述三大电解质优化策略

1. 功能添加剂策略：精准靶向调控

通过 “分子 / 离子 - 界面 - 电解液微环境” 多维度协同，解决核心瓶颈，分为四类：

① 有机小分子添加剂：依托 “单分子多目标协同”，通过官能团与碘物种、Zn²⁺ 精准作用，同时稳定阴极碘物种与阳极 Zn 界面，部分实现 50,000 次循环容量保持率 84.3%；

图3 有机小分子添加剂。

② 盐添加剂：凭借阴阳离子协同，激活碘多电子反应、优化 Zn²⁺ 溶剂化结构，在 10 A・g⁻¹ 高电流密度下循环 15,000 次容量保持率达 91.6%；

图4 盐类添加剂。

③ 离子液体添加剂：以 “长效界面调控” 为核心，抑制多碘化物穿梭与 Zn 枝晶，软包电池在锌深度放电率 68.3% 下 5000 次循环容量保持率 88.3%；

图5 离子液体添加剂。

④ 大分子添加剂：利用长链拓扑结构与官能团作用，适配 25 mg・cm⁻² 高碘负载场景，1C 循环 1000 次容量保持率 90.9%。

图6 大分子添加剂。

2. 水凝胶电解质策略：结构功能一体化

融合液态电解质高离子导电性与固态电解质结构稳定性，通过差异化策略实现全面优化：

① 生物质基水凝胶：利用天然生物质的结构与官能团双界面调控，对称电池循环寿命达 6000 h；

② 功能化水凝胶：引入特定官能团精准调控 Zn²⁺ 传输与多碘化物迁移，8700 次循环库仑效率超 99.4%；

③ 宽温域适配水凝胶：通过纳米粒子掺杂等方式破坏水分子氢键网络，-60℃ 仍保持 0.354 mS・cm⁻¹ 离子导电性，-20℃ 下 11,000 次循环容量保持率 91.7%。

3. 深共熔电解质策略：全域微环境重构

由氢键供体（HBD）与氢键受体（HBA）通过强氢键形成低熔点体系，具有溶剂化环境可控、自由水活性低等优势，分为三类：

① 低水合溶剂化型：减少配位水、控制自由水，抑制水诱导副反应，-30℃ 下 1200 h 循环库仑效率达 99.4%；

② 亲核配位溶剂化型：通过亲核配体稳定高价 I⁺/ 多碘化物，激活四电子反应，能量密度提升至 404 Wh・kg⁻¹，2000 次循环容量保持率 80%；

③ 酸性协同溶剂化型：平衡酸性催化与电极腐蚀，在 10 μm 薄锌条件下实现 3.5 mAh・cm⁻² 高面容量，7 A・g⁻¹ 下 20,000 次循环容量保持率 100%。

要点四：展望 AZIBs 电解质未来发展方向

为推动 AZIBs 产业化，未来需聚焦五大核心方向：

多电子反应精准调控：开发强亲核且水稳定的有机配体，探索稀电解液中异卤素应用，量化电解质组分对反应能垒的影响，建立分子级构效关系；
极端条件与高负载适配：通过多氢键调节剂、深共熔电解质组分优化，提升电池在宽温域的稳定性；设计高润湿性电解液与分级多孔电极，解决高负载下传质阻碍问题；
电极 - 电解液界面协同优化：开发双相电解质、梯度水凝胶电解质等同步优化体系，结合机器学习筛选电解质组分，利用原位表征揭示界面 SEI/CEI 形成与演化规律；
表征与模拟深度融合：采用超快准弹性中子散射、原位冷冻电镜等技术分析 Zn²⁺ 溶剂化动力学与枝晶生长过程，通过 MD/AIMD 模拟量化相互作用能与反应能垒，提升电解液设计精准度；
产业化适配性优化：采用生物质衍生物、工业级盐等低成本组分，开发一步法制备工艺，简化提纯步骤，建立大规模生产成本模型，平衡性能与成本。

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文章链接

Y. Zhao, Q. An, Y. Zha, H. Liu, C. Luo, Y. Ma, X. Zhao, G. Zhao, Z. Gong, X. Zou, Y. Sun, G. Zhao, L. Duan, H. Guo, Optimization strategy and research progress of aqueous Zn-iodine batteries based on electrolyte engineering, Coordination Chemistry Reviews, 2026, 559, 217845.

https://doi.org/10.1016/j.ccr.2026.217845

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通讯作者简介

郭洪教授简介：云南大学教授，博士生导师，博士后合作导师，享受云南省政府津贴的专家学者，云南大学东陆学者，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事（CSSI），国际能源与电化学科学研究院(IAOEES理事，国际电化学会（ISE）会员。主持973计划课题、国家自然科学基金、云南省重大科技专项、云南省及教育部重点项目等20余项省部级及以上课题。主要从事电化学储能及环境催化研究。以第一作者及通讯作者在PNAS. Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew Chem. Int. Edit., Mater. Today, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.等学术期刊发表论文150余篇，引用超过7000次。申请及授权30余项中国发明专利。