扬州大学庞欢AM：快速、大规模、低能耗、零碳生产高效电解质用于可持续锌离子电池

第一作者：袁国强

通讯作者：庞欢*

单位：扬州大学

水系锌离子电池（AZIBs）由于其卓越的理论能量密度、固有的安全特性和经济可行性，在电网规模储能应用中展现出巨大潜力。然而，由于水和锌之间的高反应性，锌负极界面处发生的析氢反应（HER）、腐蚀和副产物形成等寄生反应严重阻碍了AZIBs的实际应用。此外，循环过程中不均匀的锌沉积会导致枝晶生长失控，从而导致电池失效。尽管电解液添加剂因其多功能性、易于实施和大规模部署前景而引起了广泛兴趣，但有机分子构型和支链分子结构与电极界面层之间的构效关系仍未得到充分探索。

近日，来自扬州大学的庞欢教授团队，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Rapid, Large-Scale, Low-Energy-Consumption, Zero-Carbon Production of High-Efficiency Electrolytes for Sustainable Zinc-Ion Batteries”的研究文章。该文章系统评估了咪唑基有机分子作为电解液添加剂的作用，揭示了分子构象和侧链功能如何共同调节电极-电解质界面的反应。研究建立了一个统一的统计过程框架（蒙特卡洛模拟），结果表明在工业化的大规模制造中，这些咪唑基电解液添加剂可将相对能耗降低高达96.8%。

研究选取了四种具有不同侧链和取代位点的咪唑基配体分子（HIM、HmIM、HeIM和HAM）作为硫酸锌（ZSO）电解质的添加剂。咪唑基分子中具有高负电性的氮原子优先吸附在锌金属表面，形成致密的界面层。与H2O相比，咪唑分子具有更高的吸附能和更小的HOMO-LUMO间隙，诱导其在锌表面发生竞争性吸附以重建电极-电解质界面。咪唑基有机分子功能化侧链有效阻碍了界面水分子的聚集，从而从源头上抑制了析氢和腐蚀等副反应。

扫描电镜（SEM）和3D激光扫描显微镜（LSM）结果表明，咪唑基添加剂电解质促进了锌沉积的有序生长模式，显著降低了表面粗糙度。随着烷基支链的增大，支链诱导的空间位阻与亲锌配位位点之间产生协同作用。特别是ZSO-HAM电解液实现了最均匀和致密的界面沉积，XRD分析证实其促使沉积层高度暴露(002)晶面，这可能归因于HAM分子侧链上存在的亲锌位点（-NH2）。

在界面动力学方面，ZSO-HAM不仅显著降低了锌离子去溶剂化的活化能，还促进锌离子主要以三维扩散模式进行均匀电沉积。得益于界面寄生反应和枝晶生长的有效抑制，使用ZSO-HAM的锌对称电池在1 mA cm-2和1 mAh cm-2的条件下稳定循环约3500小时。Zn||Cu半电池在300次循环中表现出极高的可逆性，平均库仑效率高达99.4%。在实际应用评估中，Zn||VO全电池在5 A g-1的高电流密度下稳定运行超过1000次循环，基于该体系的软包电池也展现了出色的柔性工作能力和容量保持率。

为评估工业转化潜力，作者利用蒙特卡洛随机模拟量化了不同锌负极改性路线的过程负担指数（Y）和相对能耗指数（E）。分析结果表明，电解液添加剂策略由于避免了干燥和退火等高耗能步骤，展现出卓越的过程鲁棒性和兼容性。在定义的参数空间内，相比于涂层改性和水凝胶策略，添加剂方法将相对能耗降低了高达96.8%。结合成本分析，该策略在“低工艺负担/低能耗”象限中占据主导地位，为实现碳中和目标下的低成本、大规模生产提供了清晰的途径。

G. Yuan, Z. Qiu, Y. Su, et al. “Rapid, Large-Scale, Low-Energy-Consumption, Zero-Carbon Production of High-Efficiency Electrolytes for Sustainable Zinc-Ion Batteries.” Advanced Materials (2026): e21287.

庞欢教授简介：博士生导师，于2011年在南京大学获得博士学位。扬州大学化学化工学院院长、二级教授，新世纪优秀人才；江苏省杰出青年；英国皇家化学学会会士；全球高被引学者。兼任Sustainable Engineering Novit 主编；《国家科学评论》学科编辑组成员；Nano Research、Rare Metals等期刊编委。主要从事电化学储能材料研究，尤其基于配合物材料。

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