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文 章 简 介
近日，来自西北工业大学、中科院福建物构所、东南大学的联合团队在国际顶尖综合类期刊《Advanced Science》发表重磅研究成果，提出一种基于仿生超分子添加剂的低温水系锌电池解决方案。该团队开发的羟基富集超支化聚甘油（CDhPG）添加剂，通过模拟极地海洋生物的抗冻机制与生物离子通道功能，成功将水系锌电池的稳定工作温度拓展至 - 40℃以下，为低温储能技术的发展带来革命性突破。
低温困局：水系储能的 “老大难” 问题
水系锌离子电池因成本低、安全性高、环境友好等优势，被视为下一代大规模储能的核心技术之一。然而，其在低温环境下的应用一直面临严峻挑战：当温度降至 0℃以下时，电解质易结冰导致离子传输受阻，同时锌电极 / 电解质界面稳定性急剧下降，引发锌枝晶生长、库伦效率衰减等问题，严重制约了电池的循环寿命与能量输出。
“传统低温改性策略往往难以兼顾抗冻性能与离子传导效率，要么通过高浓度盐抑制结冰但牺牲导电性，要么添加有机抗冻剂导致界面兼容性变差。” 团队负责人介绍道。如何在极寒条件下同时实现 “不结冰、高传导、无枝晶”，成为水系锌电池低温化发展的关键瓶颈。
仿生灵感：从极地鱼类到 “双重功能” 添加剂
团队将目光投向自然界的 “抗冻高手”—— 极地海洋鱼类。这类生物能在零下数十度的海水中生存，得益于体内抗冻蛋白能与冰表面结合抑制冰晶生长，同时其细胞膜上的钾离子通道可高效调控离子传输。基于这一生物启发，研究人员设计出兼具 “抗冻” 与 “传质” 双重功能的超支化聚甘油（CDhPG）添加剂。
CDhPG 的分子结构暗藏玄机：一方面，其富含的羟基基团能与水分子形成强氢键网络，像 “锚点” 一样牢牢吸附在冰表面，阻止冰晶的进一步生长与团聚，使 ZnCl₂-CDhPG 电解质的凝固点降至 - 40℃以下；另一方面，分子内部的空洞结构模拟了生物离子通道，可对锌离子进行选择性配位，加速其去溶剂化过程，显著提升离子传导效率。这种 “一石二鸟” 的设计，成功重塑了冰 - 水界面与锌 - 电解质界面的微观环境。
图1：（a）极地鱼类体内的抗冻蛋白（PDB:1msi）通过吸附冰表面抑制冰晶生长，钾离子通道（PDB:3ouf）通过脱水机制实现离子高效传输；（b）CDhPG 将两种功能集成，羟基基团（键距～2.76Å）匹配冰晶格实现抑冰，内部空洞适配锌离子促进传质，同时具备生物相容性；（c）添加 CDhPG 后，ZnCl2电解质可减少析氢腐蚀、引导锌定向沉积，实现无枝晶生长与高离子传导
性能飞跃一：抑冰与低凝固点的双重突破
为验证 CDhPG 的抗冻效果，团队通过偏光显微镜与差示扫描量热法（DSC）展开系统测试。结果显示，在 - 6℃保温 30 分钟后，纯水中的冰晶会快速粗化为大尺寸晶体，而添加 10mg/mL CDhPG 的溶液中，冰晶平均最大粒径（MLGS）仅为 2100±300μm²，较纯水降低超 70%；当 CDhPG 浓度提升至 20mg/mL 时，冰晶粒径进一步缩小至 1600±300μm²，且长时间低温下仍保持细小致密的形态，证明其优异的冰重结晶抑制（IRI）能力。
更关键的是，将 CDhPG 加入 8M ZnCl₂电解质后，其低温耐受性得到进一步增强。DSC 测试表明，纯 ZnCl₂电解质的凝固点约为 - 105.4℃，添加 10mg/mL CDhPG 后降至 - 106.4℃，添加 20mg/mL CDhPG 时更是低至 - 107.34℃，且液态稳定性显著提升，为电池在极寒环境下的运行奠定基础。
图2：（a）纯水中冰晶生长与 CDhPG 抑制冰晶的示意图；（b）不同 CDhPG 浓度下冰晶平均最大粒径（MLGS）对比，浓度越高抑冰效果越强；（c）偏光显微镜图像显示，1-30 分钟低温保温后，CDhPG 溶液的冰晶始终保持小尺寸，而纯水冰晶持续长大；（d-f）DSC 曲线对比，添加 CDhPG 后 ZnCl₂电解质的凝固点逐步降低，证明其协同抑冰作用
性能飞跃二：-40℃下实现超长循环与高容量保持
在解决电解质结冰问题的同时，CDhPG 还显著提升了电池的低温电化学性能。在 - 40℃的极端条件下，采用 CDhPG 的 Zn//Zn 对称电池表现出惊人的稳定性：在 5mA cm⁻² 电流密度、43% 放电深度（DOD）下，电池可稳定循环 900 小时，电压曲线平稳无明显波动；而未添加 CDhPG 的对照组，很快出现电压剧烈震荡与电池失效，凸显 CDhPG 对锌电极界面的保护作用。
在全电池测试中，Zn//V₂O₅电池（含 CDhPG）在 - 40℃下经过 500 次循环后，仍保持极高的容量 retention；同时，其离子电导率达到 1.748mS/cm，是纯 ZnCl₂电解质（0.823mS/cm）的 2 倍以上，且库伦效率（CE）稳定在 99.6% 左右，远超对照组（循环 850 次后 CE 降至 80% 以下）。这些数据表明，CDhPG 不仅解决了低温结冰问题，更从离子传输、界面稳定等多维度提升了电池性能。
图3：（a）Zn//Cu 不对称电池在 10mA cm-2 下的库伦效率，CDhPG 组循环 850 次仍保持 99.6% CE；（b）交流阻抗谱显示，CDhPG 组电荷转移阻抗（44.78Ω）远低于对照组（9791Ω），证明离子传输更快；（c）Zn//Zn 对称电池在 0.2mA cm-2 下循环 1600 小时电压稳定；（g）-40℃、5mA cm-2 下，对称电池循环 900 小时无明显衰减；（h）与已报道的低温锌基电池对比，该体系放电容量优势显著；（i）-40℃下锌沉积 / 剥离电压曲线平稳，极化小
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据悉，该研究以西北工业大学生命学院李小平和中科院福建物构所的金坦为共同第一作者，马越教授、庄巍研究员、卢婷利教授、戚震辉教授为共同通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。
行业启示：为低温水系储能提供通用方法论
该研究提出的 “生物原理双重功能策略”，不仅为低温水系锌电池的电解质设计提供了切实可行的方案，更构建了一种通用性的仿生设计框架。这一思路可拓展至其他水系储能体系，如水系锂离子电池、水系钠电池等，为解决各类水系电池的低温瓶颈提供了重要参考。
随着全球能源结构向清洁化、低碳化转型，低温储能技术在高寒地区电网储能、极地科考装备、冷链物流供电等领域的需求日益迫切。戚震辉教授团队的这项成果，不仅推动了水系储能材料的基础研究进展，更为低温储能技术的产业化应用奠定了坚实基础，有望在未来新能源领域发挥重要作用。
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https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202516639
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