齐鲁工业大学王晓/周国伟&山东大学熊胜林&山东交通学院李柱杰AM：电场驱动的阴离子型溶剂化结构重构加速低温锌金属电池动力学

第一作者：陈炳超

通讯作者：王晓*，熊胜林*，周国伟*，李柱杰*

单位：齐鲁工业大学；山东大学；山东交通学院

水系锌基电池（RZBs）凭借锌金属阳极高理论容量、本质安全、成本低廉及环境友好等优势，成为下一代大规模储能装置的理想候选。然而，水系电解液在低温下易冻结，且 Zn²⁺由于电荷密度高和鲍林半径小，对溶剂分子具有紧密的静电吸引力，会加剧低温条件下的离子扩散缓慢和 Zn²⁺去溶剂化能垒。此外，电极/电解液界面阻抗升高会引发Zn²⁺耗竭，造成锌枝晶生长和腐蚀，严重恶化电池低温性能，限制其在寒冷环境中的应用。富有机的共晶电解液体系会破坏水分子氢键网络，导致离子电导率下降、粘度升高，增大去溶剂化能垒。因此，开发兼具抗冻性、快速去溶剂化动力学及稳定界面的电解液，成为推动低温锌基电池实用化的关键挑战。

近日，来自齐鲁工业大学、山东大学和山东交通学院团队在国际顶级期刊Advanced Materials上发表题为“Electric Field Propelled Anion-Type Solvation Structure Reconstruction with Accelerated Kinetics for Low-Temperature Zinc Metal Batteries”的研究论文，报道了一种Zn(BF₄)₂基的有机共溶低温电解液（BE-Ace）。该电解液中的锌离子初级溶剂化鞘中的丙酮在双电层电场驱动发生动态酮−烯醇式互变异构效应，在界面处构建出富阴离子型溶剂化结构。该溶剂化结构不仅可以缩短锌离子的去溶剂化路径、实现低温下快速去溶剂化动力学，还以梯度有机−无机的结构构建坚韧紧密的固态电解质界面膜，最终实现低温下均匀的锌沉积。基于该电解液，锌锌对称电池在−40°C、1 mA cm⁻²条件下可稳定循环7500小时；在 10 mA cm⁻²、放电深度 34.2% 的工况下，循环寿命仍超过1200 小时。将该电解液与聚(3,4−乙烯二氧噻吩) −五氧化二钒（PEDOT−V₂O₅）正极匹配组装软包电池，在N/P比4.33、液固比6.0 μL mg⁻¹ 的实际应用条件下，−40°C时可输出150 mAh的高容量，经210次循环后容量保持率接近100%。本研究通过调控电解液结构，为耐低温锌基电池的实用化与产业化提供了有效策略。

本研究选用非质子、低介电常数的丙酮（Ace）作为氟硼酸锌水溶液电解质的共溶剂。Ace凭借其弱溶剂化能力，通过静电屏蔽效应有效削弱了Zn²⁺与H₂O之间的静电结合。同时，其与H₂O相近的供体数（DN值）协同削弱了Zn²⁺与溶剂间的相互作用，促使更多BF₄⁻阴离子进入Zn²⁺的第一溶剂化鞘层，形成了以[Zn(H₂O)_2.06(Ace)_1.42]²⁺(BF₄⁻)_2.51为代表的阴离子主导型溶剂化结构。该结构不仅显著抑制了水的活性和BF₄⁻的自发水解腐蚀，还为要点二的界面快速脱溶剂过程奠定了基础。

在锌负极界面，由丙酮参与形成的更紧密双电层（EDL）产生了高强度电场（~0.2 V/Å）。电场能够诱导丙酮分子酮-烯醇互变而非传统的酸催化，DFT计算表明电场下该过程能量势垒降低70%。该互变的关键在于：烯醇化过程中，羰基氧从邻近的配位水分子中夺取一个质子，导致水分子解离。由于电荷排斥效应，解离产生的H⁺被快速排出溶剂化鞘层，而留下的OH⁻则作为新的阴离子保留在Zn²⁺的配位环境中，从而实现富阴离子的溶剂化结构。由于阴离子与阳离子一起移动到电极时会受到斥力，阴离子的去溶剂化过程可以忽略不计，因此酮-烯醇效应为Zn²⁺提供了一条能量更低的脱溶剂路径。该策略设计界面处由内源产生OH⁻阴离子，既实现了能量更低的脱溶剂路径，又避免负电荷排斥影响溶剂化鞘接近负极界面。最终脱溶剂活化能从30.14 kJ mol⁻¹显著降至21.94 kJ mol⁻¹，实现低温下快速脱溶剂动力学。

基于上述阴离子型溶剂化结构及界面烯醇化过程，在锌负极表面原位构筑了一层梯度有机-无机复合固态电解质界面膜（SEI）。该SEI内层富含ZnF₂、Zn₃(BO₃)₂、ZnO等无机物，提供高机械强度与离子电导；外层则包覆有机物，增强SEI的柔韧性。这种“刚柔并济”的梯度结构能有效抑制锌枝晶生长、缓解界面副反应，并允许Zn²⁺高效通过，为均匀锌沉积/剥离提供了稳定保障。

得益于优化的溶剂化结构、加速的界面动力学及稳固的SEI，采用BE-Ace电解质的电池展现出卓越的低温电化学性能：Zn||Zn对称电池在−40°C、10 mA cm⁻¹的高电流密度下可实现1200小时（34.2% DOD）的稳定循环；Zn||Cu电池在−40°C下2000次循环平均库伦效率高达99.7%。匹配PEDOT-V₂O₅正极的软包电池在−40°C、严苛条件（N/P=4.33，E/C=6.0 µL mg⁻¹）下循环210周，仍能保持150 mAh g⁻¹的容量且无衰减。这些性能远超多数已报道的低温锌基电池电解质，证明了该策略的实际应用价值。

“Electric Field Propelled Anion-Type Solvation Structure Reconstruction with Accelerated Kinetics for Low-Temperature Zinc Metal Batteries.” Adv. Mater., 2026.

王晓（通讯作者）：齐鲁工业大学（山东省科学院）副教授，硕士生导师。2021年6月于山东大学获得博士学位，近年来主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金和中国博士后基金面上项目等，以第一/通讯作者身份在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Nano Letters等发表SCI论文10余篇，他引1000余次，其中3篇ESI高被引论文。作为第一指导老师指导学生获得山东省大学生创新大赛省级金奖（2025）、山东省大学生创新大赛省级银奖（2024）、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛省级二等奖（2025）。

周国伟（通讯作者）：齐鲁工业大学（山东省科学院）二级教授，博士生导师。国务院政府特殊津贴专家、山东省有突出贡献中青年专家、山东省优秀科技工作者、山东省优秀研究生指导教师等，主持国家自然科学基金、教育部科学技术研究重点项目、山东省自然科学基金重点项目等20余项，获山东省科学技术奖一等奖、二等奖多项，在国际知名期刊Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Powder Materials, Chinese Journal of Catalysis等发表SCI论文170余篇，以第一发明人获国家发明专利50余件、美国专利2件。

熊胜林（通讯作者）：山东大学教授，博士生导师，国家级领军人才，在介观尺度下如何实现无机能源材料精准可控合成与组装的关键科学问题开展基础应用研究，用简单的化学原理和合成策略，可控合成新颖的无机介观尺度复合组装结构材料将其应用在水系金属电池、锂硫电池、碱金属 (锂/钠/钾)电池等领域。近五年以通讯作者在Acc. Chem. Res., Angew. Chem., Adv. Mater., CCS Chem., Nat. Commun., Sci. Bull., Nano Lett., Nano Res., J. Energy Chem.等主流刊物发表论文60余篇；并受邀为Acc. Chem. Res., Adv. Mater.等撰写综述论文。论文总他引30,000余次，单篇最高他引800余次，H指数97。

李柱杰（通讯作者）：山东交通学院副教授，硕士生导师，山东省高等学校青创团队负责人。主持多项纵向课题，包括国家自然科学基金1项、山东省自然科学基金1项、山东省教育厅项目1项。研究方向主要为能源材料的多尺度理论模拟与设计，累计发表高水平SCI论文30余篇，累计被引用超过1900次。以第一作者或通讯作者（含共同）在Advanced Materials、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Storage Materials等国际著名SCI期刊上发表10余篇。

陈炳超：齐鲁工业大学化学与制药学部2023级硕士研究生，从事水系锌离子电池电解液改性和负极保护研究，获第六届国际电化学能源大会优秀墙报奖，在Advanced Materials、Advanced Energy Materials上参与发表了2篇论文。