王志研究员、公旭中副研究员、王东副研究员，Nat Commun：磁化电解液诱导帕邢巴克效应调控SO42-水合助力无枝晶锌离子电池

在众多新一代大规模储能技术候选体系中，采用中性水系电解液的可充电锌金属电池凭借其高理论容量（820 mAh·g^-1）、低工作电位（-0.762 V，相对于标准氢电极）、高离子电导率以及环境友好等突出优势，在学术界和工业界均引发了广泛关注。然而，水系锌离子电池在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是锌金属负极普遍存在因锌枝晶无序生长和析氢反应（HER）引发的稳定性问题。这些问题不仅容易导致电池短路和容量损失，还会加剧锌腐蚀及一系列副反应，严重制约了其循环寿命和安全性能。针对上述瓶颈，中国科学院过程工程研究所王志研究员课题组创新性地提出并实验证明，通过施加外部磁场调控电解液中离子的溶剂化行为及界面处的质子传递过程，可实现锌的均匀沉积，显著抑制枝晶生长和副反应的发生。该策略有效提升了锌金属负极的结构稳定性和循环性能，为高性能水系锌离子电池的开发提供了一种简便、高效且具有广阔应用前景的新途径。

近日，中国科学院过程工程研究所王志研究员课题组在国际顶级期刊《Nature Communications》发表了题为“Paschen–Back effect modulation of SO₄^2-hydration in magnetized electrolyte toward dendrite-free Zn-ion batteries”的观点文章。文章指出，枝晶生长和析氢反应是制约水系锌金属电池稳定运行的关键因素。研究团队通过引入磁场，实现了对离子溶剂化行为和质子转移动力学的精准调控，从而促进了锌的均匀沉积，有效抑制了析氢副反应。这一工作为提升水系锌离子电池的性能提供了一种简洁高效的新思路。

首次提出采用可调控且垂直于电解液流动方向的强磁场（3 T）对电解液进行预处理，开辟了一条抑制锌负极枝晶生长的新路径，为水系金属负极界面的优化提供了创新方法。

强磁场通过 Paschen–Back 效应精准调制水分子 O–H 键的伸缩振动，配合洛伦兹力破坏传统的 DDAA 氢键网络，诱导形成单供体氢键（DDA）构型。该作用显著增强 SO₄^2-的水合能力，使 DDA 水分子定向有序排列，并有效抑制自由 O–H 伸缩水分子（DAA–OH）的费米共振，进而深刻调控 Zn²⁺ 的溶剂化结构和质子化水簇（H₃O⁺）行为。

磁场诱导形成的增强型分子间氢键（H-O-H⋅OSO₃^2-）促进了 Zn²⁺ 在 (002) 晶面的选择性成核与外延生长，有效降低了局域电流密度的不均匀性和枝晶萌生风险。与此同时，SO₄^2-的高度水合结构与 DDA 水分子的定向排列提高了电极/电解液界面的致密性与有序性，氧的优先吸附进一步提升电极界面 H-O-H⋅OSO₃^2-含量，阻碍了 Zn²⁺ 在二维平面的扩散与横向聚集，确保电化学循环过程中锌沉积均匀，显著延长电池的循环寿命并提升其安全性。

磁场诱导的 SO₄²⁻高度水合结构有效降低了水分子对H⁺的溶剂化能力，并稳定了界面处DDA构型水分子的取向，显著破坏了Grotthuss质子传递通道。这一机制有效抑制了质子在电极表面与电解液中的快速迁移，明显降低了析氢等副反应的发生风险，减少了电解液消耗与气体膨胀的可能性，进一步提高了界面的整体稳定性。

研究提出的磁场预处理策略，通过对溶剂化化学（特别是高水合阴离子）的精准调控，实现了金属负极的稳定化与副反应的有效防控，具有普适性。未来进一步提高磁场强度（＞10 T），将有望进一步强化氢键网络重构和离子溶剂化调控，为水系锌离子电池的枝晶抑制、高能量密度及高安全性提供强有力支撑。

王志研究员简介：中国科学院过程工程研究所研究员/博士生导师，东北大学博士生导师等。战略金属资源绿色循环利用国家工程研究中心总工，资源环境绿色过程工程研究部副主任，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家重点研发计划项目首席。主要开展战略金属高纯制备与高质循环理论与应用研究。主持国家重点研发计划项目1项、课题1项；国家自然科学基金项目7项，其他国家及企业合作项目等40余项；获中国有色金属工业科学技术一等奖、中国循环经济协会科技进步一等奖等。任中国有色金属学会固废资源化委员会副主任委员、中国金属学会冶金过程物理化学委员会委员、中国硅酸盐学会专家委员会委员等。任矿冶期刊副主编，cScience， Materials，绿色矿山编委；在Nat. Commun., Adv. Energy Mater.，Energy. Storage. Mater，J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J, Green. Chem等领域顶级期刊发表SCI论文260余篇；编著1册；授权发明专利90余项，软件著作权2项，牵头制定团体标准2项。

公旭中副研究员简介：中国科学院大学岗位教授。在中国科学院大学化学化工学院主讲《资源环境化学与工程》课程。主要从事煤化学与电化学的基础研究和应用研究。主持4项国家自然科学基金，包括1项青年基金，3项面上基金。1项国家863项目子课题，1项宁夏自治区重点研发计划，4项企业委托项目。在Adv. Energy Mater. Electrochimica. Acta, J. Mater. Chem. A, Ind. Eng. Chem. Res.等国内外学术刊物上发表SCI论文50余篇，其中第一作者和通讯作者26篇，授权发明专利21项，科学出版社出版专著3部。

王东，中国科学院过程工程研究所青年研究员、中国科学院赣江创新研究院研究员、江西理工大学博士生导师。主要开展新能源固废有价金属循环利用研究，主持了包括国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、中科院先导C等项目20余项，其中国家级项目7项，总经费超过4000万元。以第一、通讯作者在Appl. Catal. B Environ., Green Chem.等期刊发表SCI论文35篇，授权发明专利30余件，牵头制定团体标准2项；获2019年中国有色金属工业科学技术一等奖、2022年中国循环经济协会科技进步一等奖等科技奖励；在光伏、稀土、锂电等新能源固废循环利用领域建立示范工程十余套。

姚夏妍，中科院过程所在读博士，高级工程师，省级特殊人才，获得省级科技进步奖1项（排名第二），授权专利20余件。以第一作者身份在Nature Communications, JACS Au 等学术刊物上发表多篇研究论文。