深圳大学姚蕾副教授、崔欢庆助理教授&新加坡国立大学杨会颖团队Nano Energy：创新电解质策略突破超低温瓶颈，大提升锌离子混合电容器性能

第一作者：张颖朦，姚松

通讯作者：崔欢庆*，杨会颖*，姚蕾*

通讯单位：深圳大学，新加坡国立大学

水系锌离子混合电容器（AZHCs）因兼具电池级能量密度与超级电容器级功率特性，且锌负极具有高理论容量、低redox电位、天然丰度及固有安全性，水系电解液具备低成本、高安全、高导电优势，成为下一代储能技术的优选方向。然而，AZHCs在超低温环境（<－40℃）中的应用面临严峻挑战：电解液易因氢键网络有序化而冻结，Zn²⁺与水分子强配位导致脱溶剂化能垒剧增、反应动力学迟缓，同时析氢反应（HER）与锌枝晶生长等副反应加剧，致使器件能量/功率密度暴跌、循环寿命锐减。现有解决方案存在明显局限：盐包水（WIS）电解液粘度高、离子迁移慢；局域化盐包水（LWIS）电解液未能破解强水合难题；有机添加剂、深共熔溶剂等策略则面临电导率低、适配性差等问题。因此，开发兼具低冰点、宽稳定窗口、快离子动力学与强界面稳定性的电解液-电极协同体系，成为突破AZHCs超低温应用瓶颈的关键，具有重要的学术价值与实际意义。

近日，来自深圳大学的姚蕾副教授、崔欢庆助理教授与新加坡国立大学的杨会颖教授合作，在国际知名期刊Nano Energy发表题为 “Engineering weak solvation in localized water-in-salt electrolyte with hydrated-ion-sieving carbon pores for ultralow-temperature Zn-ion hybrid capacitors” 的研究论文。该工作创新性提出弱溶剂化局域化盐包水（ws-LWIS）电解液策略，并配套设计层级多孔碳纳米笼（HPC-NC）电极，针对性解决了超低温下锌离子混合电容器（AZHCs）电解液易冻结、Zn²⁺脱溶剂化能垒高、界面副反应加剧等核心瓶颈，通过电解液溶剂化结构调控与电极孔道尺寸的精准匹配，实现了器件在极端低温环境下能量密度、功率密度与循环稳定性的协同提升，为超低温水系储能器件的研发提供了技术路径与理论支撑。

传统水系电解液在超低温（<－40℃）下易冻结、Zn²⁺脱溶剂化能垒高，导致离子动力学迟缓。本研究提出弱溶剂化局域化盐包水（ws-LWIS）电解液策略，通过向Zn(ClO₄)₂水系电解液中引入低介电常数、低给体数的乙腈（AN）构建复合体系。AN的引入使Zn²⁺溶剂化结构从Zn[H₂O]₆²⁺转变为Zn[H₂O]₅[ClO₄]⁺，脱溶剂化总能量从6.01 eV降至5.53 eV，显著降低反应能垒；同时破坏水分子氢键网络，使自由水含量从62%降至44%，电解液冰点从－43℃降至－91℃，－70℃仍保持液态。此外，该电解液电化学稳定窗口拓宽至0~2.5 V，Zn²⁺扩散系数提升至1.12×10^－7 cm²/s，解决了低温下电解液冻结与离子传输迟缓的核心问题。

传统多孔碳电极存在孔道与水合Zn²⁺尺寸不匹配、离子可及性低的问题，限制超低温储能性能。本研究设计层级多孔碳纳米笼（HPC-NC）电极，通过γ-环糊精/F127/PPDA超分子自组装-热解-活化工艺，形成3~10 nm笼状孔结构与4.7%的N掺杂位点。该结构与ws-LWIS电解液中Zn[H₂O]₅[ClO₄]⁺的溶剂化尺寸精准匹配，固态NMR表征显示其离子可及性接近100%；笼状孔道提供短程扩散通道，N掺杂位点增强离子吸附作用，显著提升电极的离子存储容量与传输效率，实现与ws-LWIS电解液的协同增效。

超低温下锌负极易发生析氢反应（HER）与锌枝晶生长，导致界面不稳定、器件寿命锐减。ws-LWIS电解液的弱溶剂化结构减少了水分子在锌负极表面的吸附，抑制HER副反应与Zn(OH)₂钝化层形成；同时低脱溶剂化能垒使Zn²⁺均匀沉积，倾向于沿（002）晶面平行生长，有效抑制锌枝晶。基于“ws-LWIS电解液+HPC-NC电极”构建的AZHCs在－50℃下表现优异：1.0 A/g电流密度下比容量达165.1 mAh/g，保留室温88.2%的容量；能量密度143.3 Wh/kg（为传统WIS体系的2.6倍），功率密度达25 kW/kg；10 A/g下循环3000次容量保持率88.2%，4×6 cm软包电池循环145次稳定性良好，突破了超低温储能器件的性能瓶颈。

当前针对超低温水系电解液的溶剂化结构调控机制及其在电极界面动态过程的科学认知仍待深化。同时，现有 ws-LWIS 电解液的长期化学稳定性、以及HPC-NC电极的规模化制备工艺也有待进一步优化与完善。未来研究可重点关注以下方向：优化电解液配方，抑制 AN 溶剂的挥发与分解，并探索降低盐浓度以兼顾性能与成本；开发基于农业废弃物等廉价碳源的HPC-NC 规模化制备路线；运用原位先进表征手段揭示超低温下 Zn²⁺ 溶剂化-脱溶剂化行为及界面反应动态过程；此外，将此类弱溶剂化-局域化策略拓展至锌离子电池、钠离子混合电容器等其他水系储能体系，以验证其普适性。突破这些关键瓶颈，将有力推动超低温储能技术走向实际应用，为高纬度地区能源存储、极地探测等极端环境提供安全、高效的储能解决方案。

Engineering weak solvation in localized water-in-salt electrolyte with hydrated-ion-sieving carbon pores for ultralow-temperature Zn-ion hybrid capacitors

姚蕾副教授简介：深圳大学材料学院长聘副教授、博士生导师。入选国家级青年人才计划（第五届中国科协青年人才托举工程），深圳市高层次人才B类，材料学科全球前2%科学家，获深圳市科学技术奖自然科学奖二等奖（排名第二）。担任中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事，《Journal of Advanced Ceramics》（中科院一区）、《硅酸盐通报》青年编委。2011年获北京科技大学材料科学与工程学士学位，2016年获清华大学材料科学与工程工学博士学位。2016-2018年在北京大学-深圳大学从事博士后研究，2017-2018年在香港理工大学做访问学者。主要从事固态离子学研究，在电极和电解质材料的离子占位与离子传导构效关系及调控手段、纳米离子学等方面作出系列成果。已发表学术论文50余篇，以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，Nano Lett.，Energy Storage Mater.，InfoMat等高水平期刊发表SCI论文，被引2500余次。已申请中国发明专利10余项，授权4项。已主持青年人才托举工程项目、国家自然科学基金青年基金、广东省自然科学基金青年提升和面上项目、深圳市自然科学基金基础研究重点项目等13项科研项目。

杨会颖教授简介：杨会颖（Hui Ying Yang）教授新加坡国立大学材料科学与工程系教授、博士生导师，国际知名储能材料专家。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，被引超过31000 次，H指数突破100。