中国科学院大连化物所陈忠伟院士/罗丹研究员&东南大学郭新立教授：双锌离子螯合溶剂化结构助力快充/长寿命水系锌离子电池

第一作者：任婧萱

通讯作者：郭新立*，罗丹*，陈忠伟*

单位：中国科学院大连化学物理研究所，东南大学

近年来，水系锌离子电池凭借锌金属负极的高理论容量（820 mAh g⁻¹）、低平衡电位（-0.76 V vs SHE）、资源丰富且成本低廉等优势，成为储能领域的研究热点。然而，其实际应用仍受限于电解液中的溶剂化结构问题：Zn²⁺通常以六个水分子形成的初级溶剂化鞘层存在，放电时释放的高活性水分子会腐蚀锌负极并加速析氢反应（HER），导致库仑效率低和循环寿命短。优化溶剂化结构成为提升锌负极可逆性的关键，现有策略包括引入高电负性分子或单核配体调控溶剂化层，但这些方法存在原子经济性低、仅影响初级鞘层等问题。近期研究表明，通过构建多齿配位体系能够取代初级溶剂化鞘内的水分子，引发结构重排。虽然这些策略增强了初级溶剂化鞘层，但它们面临着显著的局限性，表现为原子经济性低——每个分子只能锚定一个Zn²⁺，需要高浓度才能实现有效调控，并且由于专注于置换初级鞘层水分子而未显著影响次级鞘层结构，导致溶剂化控制有限。因此，更深入地理解Zn²⁺溶剂化结构的设计与优化至关重要。

近日，来自中国科学院大连化物所的陈忠伟院士/罗丹研究员与东南大学的郭新立教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Achieving Bichelating Solvation Structure toward Fast Charging and Long Lifespan Aqueous Zn-Ion Batteries”的观点文章。该观点文章开发了双溶剂化-鞘层-双螯合（BSB）的配位结构，并揭示了分子结构对溶剂化行为的动态调控机制。逐步的碳链缩短以及氨基位置调整，导致了分子极性和空间构象的改变，从而驱动了从单核配位向双核螯合的演化。这不仅丰富了配位化学中多核相互作用的理论内涵，也为设计高稳定性水系锌离子电池的溶剂化结构提供了新范式。

通过分子动力学（MD）模拟、径向分布函数（RDFs）、配位数分析、结合能计算以及多种光谱技术（如核磁共振、傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱），系统比较了BSB电解质和BE的溶剂化结构差异。MD模拟快照显示，BSB电解质中形成了以丁二酸钠（DS）为桥接的多核配位结构（如(Zn²⁺)₂(H₂O)₅(OTf^-)₄DS₂^-），而BE中Zn²⁺仅与水和OTf-形成独立溶剂化鞘层。RDFs和配位数分析表明，BSB电解质中OTf-的配位数升至2，水分子数降至4，显著改变了Zn²⁺的初级溶剂化环境。结合能计算揭示Zn²⁺与DS2-的结合能（-1.42 eV）远高于水（-0.73 eV）或其他氨基酸盐（如MSG和SLA），说明DS₂-优先参与配位。光谱数据进一步证实BSB结构削弱了水分子间的氢键网络，降低水的反应活性，从而抑制副反应。这些结果共同阐明了BSB结构通过多核螯合优化溶剂化鞘层，提升锌负极稳定性的机制。

聚焦于BSB结构对Zn²⁺迁移和去溶剂化动力学的调控作用。静电势映射显示BSB溶剂化构型（如(Zn²⁺)₂(H₂O)₄(OTf^-)₆DS₂-）具有更负的静电分布，通过双核螯合诱导电荷离域，减少Zn²⁺间斥力，从而提升迁移数至0.8，高于BE的0.6。基于AIMD模拟的去溶剂化过程表明，BSB结构可快速解离水分子（500 fs内）并优先触发OTf-脱出（100 fs内），而BE中去溶剂化缓慢且动力学迟滞。阿伦尼乌斯方程计算证实BSB电解质的活化能显著低于BE，协同CV曲线中更高的氧化还原电流和LSV测试中负移的析氢反应电位，说明BSB结构不仅加速离子传输，还通过竞争性阴离子去溶剂化促进致密ZnF2-rich SEI形成，最终实现高效沉积/剥离动力学。

评估了BSB电解质在全电池中的实际电化学性能。Zn//Zn对称电池测试显示，BSB电解质在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下稳定循环超过3227小时，在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2下仍能运行3600小时且极化电压仅48 mV，远优于BE电解质（150小时即短路）。倍率性能表明BSB电解质在30 mA cm^-2高电流下仍保持稳定，而对比电解质失效。全电池性能方面，Zn//V₂O₅电池在BSB电解质中于2 A g^-1下循环1800次后容量保持率达80%，容量为345 mAh g^-1；即使正极负载升至10 mg cm^-2，仍能保持317 mAh g^-1容量（循环650次）。软包电池测试进一步验证了BSB电解质的实用性，在1 A g^-1下循环100次后容量保持92%。这些数据凸显了BSB结构通过增强离子迁移和界面稳定性，同步实现快充和长寿命水系锌离子电池的巨大潜力。

Achieving Bichelating Solvation Structure toward Fast Charging and Long Lifespan Aqueous Zn-Ion Batteries

陈忠伟，研究员，博士生导师，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，能源催化转化全国重点实验室主任，中国科学院大连化物所动力电池与系统研究部部长、动力电池与系统研究中心主任。加拿大皇家科学院委员会委员，国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席。2008年获美国加州大学河滨分校博士学位；2008-2023年在加拿大滑铁卢大学任教，先后担任助理教授、副教授、教授；2018-2023年担任加拿大滑铁卢大学电化学能源中心主任。荣获国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、全世界TOP100,000科学家、全球能源科学与工程领域高被引学者、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家（Tier I）、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、2018年卢瑟福纪念奖章、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等多个国际奖项，2018-2023年被评为“科睿唯安高被引科学家”。陈忠伟院士长期从事电化学能源存储与转化领域核心科学问题和关键技术的研发，在新型电催化材料创制和催化机理探究、下一代可持续高安全和高能量密度电池体系开发和应用研究、人工智能电化学互联体系研发等方面取得了一系列国际认可的原创性和系统性成果，多项技术指标达到国际领先水平。在重要学术刊物上发表论文600余篇，被引次数达70，000余次，H因子达154，另编著书3部，申请中国、美国及国际专利超150项，任中国化学会Renewables期刊主编，Royal Society of Chemistry -Energ. Environ. Book Series主编，曾任ACS Appl. Mater. Interfaces副主编。

罗丹，研究员，博士生导师，入选国家级高层次海外人才（青年项目），大连化物所“张大煜青年学者”。围绕锂金属电池、固态电池、锂硫电池等存在的关键科学问题与干法电极制备、电化学互联表征等关键技术问题开展研究工作。从电极结构设计、电化学反应机理等方面入手，解决锂金属电池中正负极反应动力学迟缓、界面稳定性差、厚电极制备难等问题。通过对正极活性位点结构设计及反应动力学调控、锂负极界面SEI功能化设计及锂沉积行为调控和固态电解质离子传输通道限域结构构筑等实现快速高效的电化学反应。借助干法电极技术制备电极及电解质，提升电池能量密度及循环寿命。目前已发表SCI论文150余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Communications, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Chemical Society Reviews等高水平期刊上发表论文50余篇，被引16000余次，H因子74。

郭新立，东南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，江苏省双创人才，主要从事纳米材料及其在催化和储能等领域应用研究。在Physical review letters，Carbon和ACS系列等学术期刊上发表研究论文180余篇，受邀撰写中文专著2章，英文专著一章，拥有国家发明专利30多项。主持国家重大纳米科技专项子课题、国家自然科学基金面上项目、山西省重大科技专项子课题各一项，参于国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年科学基金项目各一项等。担任《凝聚态物理学进展》和Advances in Nano Research等杂志编委，《表面技术》杂志特聘审稿人，Nano Letters等杂志审稿人，中国科学技术出版社科技/科普专家，“《中国制造2025》应用技术人才培养工程”特聘讲师等。

任婧萱，女，博士，就读于东南大学材料科学与工程学院，目前在大连化学物理研究所进行联合培养。从事水系锌离子电池、低温锂离子电池电解液设计工作。

动力电池与系统研究部隶属于能源催化转化全国重点实验室，以加拿大皇家科学院和加拿大工程院陈忠伟院士为核心组建的高水平创新研究团队。动力电池与系统研究部面向国家在能源革命中对低成本、高容量、高安全性、高便利性的新型电池技术的重大需求，聚焦动力电池领域的关键科学与技术问题，开展电化学、能源、材料、人工智能等多学科交叉融合的创新研究。研究方向包含高比能/高比功率锂基电池、高安全性钠离子电池、低成本锌空气/锌离子电池、固态电池、燃料电池、二氧化碳电催化转化、人工智能电池管理。主要围绕催化剂创新创制、电池材料开发、电池工作机制探究、新型电池结构设计、储能方法学研究、人工智能电池管理系统开发、工艺工程以及产业化开发等核心问题，开展包括基础研究、应用技术研发和产业化示范在内的系统性全链条式的研究工作。

本团队常年招聘博士后，主要聚焦于固态电池、水系锌离子电池、锂离子电池、钠离子电池等下一代高比能电池方向及同步辐射相关表征技术开发，与同步辐射光源合作线站共同开展课题研究，待遇优厚，有意者请联系罗丹老师（luodan@dicp.ac.cn）