南方科技大学曾林教授联合桂林理工杨超、臧利敏教授在水系锌电电解质取得系列进展- 大数跨境

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南方科技大学曾林教授联合桂林理工杨超、臧利敏教授在水系锌电电解质取得系列进展

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2025-05-13

导读：南方科技大学曾林教授联合桂林理工杨超、臧利敏教授在水系锌电电解质取得系列进展

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文章信息

第一作者：管锦鹏、慕永彪、韦锡炎

通讯作者：杨超、臧利敏、曾林

完成单位：桂林理工大学、南方科技大学

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508306

台湾碳能CeTech【W0S1011生碳布&W0S1011H亲水碳布】性能可靠正品保证科研必备！

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研究背景

水系锌离子电池（AZIBs）因其低成本、环境友好性及高理论容量被视为大规模储能的潜力候选体系。然而，其在极端温度环境下的实际应用仍面临严峻挑战。高温（>45°C）下，电解质—电极界面加速的析氢反应（HER）和剧烈电极腐蚀会引发容量快速衰减与安全隐患；而低温（<0°C）则导致离子传输动力学迟滞及电解质冻结，造成反应动力学缓慢等问题。尽管研究者已探索采用“盐包水”高浓电解质或有机溶剂添加剂以抑制水活性并拓宽工作温区，但这些策略常以牺牲离子电导率、界面相容性或可持续性为代价，并且表现出来的效果也不尽人意。

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文章简介

基于此，桂林理工大学杨超&臧利敏教授团队与南方科技大学曾林教授团队合作，以聚丙烯酰胺（PAM）和Zn(ClO₄)₂为基础电解质体系，引入胸腺嘧啶（Thy）和两性离子单体甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SPE），开发了一种新型水凝胶电解质PAM-T-S，赋予其调节水活度与构建Zn2+快速传输通道的功能。其中，Thy通过强氢键作用精准调控自由水活性，有效的抑制了高温下强烈的析氢反应，显著延缓电极腐蚀速率；SPE中磺酸根基团构建的快速离子通道有效的提升了电解质的离子电导率，使电解质在低温下仍能稳定运行。得益于上述改进的协同作用，使Zn||VO₂全电池在-20至60°C范围内稳定运行，并且在-20°C和60°C下，电池分别实现了5,000次和1,000次的循环寿命，容量保持率为94%和74.7%。

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本文要点

图1 PAM-T-S水凝胶电解质的设计。

本研究通过简易热聚合法制备了PAM-T-S。通过拉伸、抗压及自愈合行为的测试，PAM-T-S表现出优异的力学性能及自愈能力，其优异的性能主要源于Thy分子间形成的额外氢键以及SPE两性基团间的离子相互作用。这些氢键和离子相互作用作为可逆牺牲键，通过断裂-重构机制实现能量耗散，从而增强力学性能并赋予水凝胶电解质自愈能力。

图2 利用不同电解质组装的Zn||VO₂全电池的电化学性能及反应机理分析。（a）在0.1至1.0 mV S⁻¹的不同扫描速率下的CV曲线。（b）1 ~5C不同电流密度下的倍率性能。（c）Zn-VO₂电池在常温时5C下的长循环性能。（d）利用PAM-T-S组装的全电池的自放电曲线。（e）在−20至60°C的不同温度下，1 C的充放电曲线。（f）在−20/60°C下的倍率性能。（g）−20°C、1C的长循环性能。（h）60°C、0.5C的长循环性能。使用（i）PAM-T-S和（j）PAM的全电池的原位DRT光谱。（k）利用PAM-T-S组装的软包电池在2C下的循环性能。

为展示锌在全电池中电镀/剥离的卓越可逆性，我们采用常见的VO₂作为水系锌离子电池（AZIBs）的正极材料组装了全电池，并在不同温度下对其进行了测试。可以发现，基于PAM-T-S的Zn||VO₂全电池展现出优异的倍率性能，在1C电流密度下的可逆比容量超过230 mAh g^-1。即使在高倍率5C下，其比容量仍稳定保持在160 mAh g^-1，此外，基于PAM-T-S的全电池在5C高倍率下循环2000次后仍有128 mAh g^-1的比容量且容量保持率为87.83%，同时该电池可在-20至60°C范围内稳定运行，在-20°C和60°C下分别提供68 mAh g^-1和310 mAh g^-1的显著比容量。在长期循环稳定性方面，全电池表现出更突出的性能。在-20°C和60°C下，电池分别实现了5,000次和1,000次的循环寿命，容量保持率为94%和74.7%。

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近期合作工作展示

为积极应对全球气候变化并推进我国“碳达峰、碳中和”战略目标的实现，发展安全高效的大规模储能技术已成为能源转型中的关键环节。水系锌离子电池（AZIBs）凭借其卓越的安全性、环境友好性、低成本优势及锌资源的高丰度，正日益成为支持可再生能源大规模并网及实现电网级储能目标的核心技术。然而，当前AZIBs在实际应用中仍面临一系列严峻的技术挑战，包括锌负极的可逆性差、能量利用率低、正极载量受限及长期循环稳定性不足等问题，这些因素显著限制了其能量密度的提升，并制约了AZIBs在规模化应用中的广泛推广。

南方科技大学曾林团队联合桂林理工大学杨超团队针对这些瓶颈问题，围绕AZIBs的综合性能提升展开了深入的探索，提出了一系列创新性策略，并在关键技术领域取得了显著进展。相关成果已发表在Carbon Neutralization, 2025, 4, e183；Energy Storage Materials., 2025, 75, 104026；Advanced. Energy Materials., 2025, 2500674; Chemical Engineering Journal., 2025, 514, 162994; Advanced. Functional. Materials., 2025, 2508306.

从理论到实践-锌离子电池在极端温度下的电解质策略（Carbon Neutralization）

图3: 极端温度下锌离子电池的挑战概述

桂林理工大学杨超、南方科技大学曾林联合日本秋田县立大学邱建辉团队对极端温度下锌离子电池电解质战略的研究进展进行了系统的综述。文中系统总结了锌离子电池在极端温度条件下的电解质优化策略，并针对不同类型电解质（如水系、非水系和固态）进行了分类讨论，详细分析了其在提升电池性能方面的作用机制和设计要点。同时，全面综述了锌离子电池在极端温度下的性能退化机制，包括离子扩散、电化学反应动力学以及电解质稳定性等核心问题。本文还探讨了当前技术瓶颈和面临的主要挑战，并对未来研究和发展方向提出了建议，涵盖了电解质改性、界面工程优化以及应用场景拓展等内容，为锌离子电池在极端环境中的实际应用提供了重要参考。薛韬和慕永彪为共同一作。

论文链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.183

甲基磺酰胺添加剂扩大水系锌离子电池适用电流密度范围（Energy Storage Materials）

图4: ZSO电解质和ZSO-2MSA电解质中Zn阳极示意图

水系锌离子电池 (AZIB) 作为大规模电网储能的有希望的解决方案而备受关注，然而，枝晶形成和有限的工作电流范围等挑战严重阻碍了它们的稳定性和实际应用。桂林理工大学杨超教授&臧利敏教授团队联合南方科技大学曾林教授团队通过锌离子电池电解液添加剂构建高活性锌负极，实现锌离子电池的电流密度范围的显著扩大。本研究引入甲基磺酰胺 (MSA) 作为AZIB中的电解质添加剂。MSA可以重组Zn2+离子的溶剂化结构，并通过晶面屏蔽效应引导Zn沿 (100) 晶面有序沉积。高活性的Zn（100）晶面加速了锌沉积剥离过程，扩大了电流密度范围到80 mA/cm²，提高了AZIB在极端条件下的实际可用性。同时，MSA引导锌均匀沉积提高了整体稳定性并抑制了Zn枝晶的形成。这些结果强调了MSA作为电解质添加剂的显著作用，并为在高电流密度条件下提高AZIB的性能提供了有效策略。韦锡炎和慕永彪为共同一作。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104026

柠檬酸-阿斯巴甜电解质添加剂调控水系锌离子电池锌沉积（Advanced. Energy Materials.）

图5: ZSO电解质和ZSO+CA+APM电解质中的Zn阳极示意图。

近年来，基于多组分协同效应的复合添加剂体系受到学界重视，其通过不同添加剂分子的功能互补与协同作用，可突破单一组分性能瓶颈。然而，当前研究仍面临基础机制认知不足的困境：一方面，单一添加剂的作用路径尚未完全明晰；另一方面，多元组分间复杂的分子级相互作用机制仍缺乏系统性阐释，这为新型协同添加剂体系的理性设计带来挑战。桂林理工大学杨超教授&臧利敏教授团队及南方科技大学曾林教授团队研究提出了一种柠檬酸（CA）和阿斯巴甜（APM）双添加剂电解质协提升水系锌离子电池性能的创新策略。该策略通过两种添加剂的协同效应实现：CA在促进APM溶解的同时调控Zn²⁺的溶剂化结构，APM优先吸附在锌负极表面协同构建稳定的固体电解质界面膜。这项研究为水系锌离子电池的界面工程提供了新的见解，揭示了双功能添加剂体系在优化电极/电解质界面方面的协同作用机制。薛韬和慕永彪为共同一作。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202500674

准固态电解质：弥合锌离子电池中固体和液体电解质之间的差距（Chemical Engineering Journal）

图6: 锌离子电池中不同类型的凝胶电解质及其特性。

电解质作为锌离子电池的关键组成部分，显著影响其整体性能和使用寿命。研究逐步从液态电解质过渡到固态电解质，主要目的是提升安全性和稳定性。准固态电解质（QSSEs）将液态电解质的高离子导电性与固态电解质的机械强度相结合，提供了一种有效的解决方案来应对这些挑战。桂林理工大学杨超教授&臧利敏教授团队及南方科技大学曾林教授团队对锌离子电池中的准固态电解质的研究进展进行了系统的综述。文中探讨了锌离子电池面临的关键问题，如树枝晶生长、腐蚀以及氢气析出反应，并回顾了准固态电解质的发展，重点阐述了其在提升离子导电性和机械强度方面的作用。准固态电解质凭借其良好的柔性、安全性和自修复特性，展现了在可穿戴电子设备和大规模储能系统中的广阔应用前景。然而，准固态电解质的研究尚处于初期阶段，仍有多个关键问题需要解决。本文还对准固态电解质在下一代能源存储技术中的潜力进行了全面分析，并提出了未来的研究方向。薛韬和管锦鹏为共同一作。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162994

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通讯作者简介

通讯作者：杨超

桂林理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。曾先后担任材料科学与工程学院基础实验中心主任、院长助理、副院长、自治区教育厅科研处副处长。现为广西高校天然与生命高分子材料重点实验室主任，广西区能源与电子材料研究生联合培养基地负责人，教育部学位与研究生教育发展中心论文评审专家，广西科技项目评审专家。主要从事柔性可穿戴器件、天然及功能高分子材料、防护材料的教学、研究工作。先后主持国家自然科学基金3项，广西重点研发项目、广西自然科学基金等省部级项目6项，企业委托横向课题等多项。近年来，已在Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials，Chemical Engineering Journal，Journal of Materials Chemistry A，Cellulose，Journal of Alloys and Compounds等国际期刊以第一作者或通讯作者发表SCI论文50余篇，授权中国发明专利6项。

通讯作者：臧利敏

桂林理工大学材料科学与工程学院教授，硕士生导师。广西高校“百人计划”引进人才，入选广西高层次人才（E类）。主要从事智能可穿戴材料、功能高分子材料等方面的研究。近年来，主持国家自然科学基金1项，广西自然科学基金3项，企业横向多项。在Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials，Chemical Engineering Journal，Carbon Neutralization，Small，Journal of Materials Chemistry A等国际学术刊物上发表SCI论文50余篇，授权发明专利4项。

通讯作者：曾林

南方科技大学机械与能源工程系长聘副教授，博士生导师。机械与能源工程系副主任，碳中和能源研究院助理院长。曾林副教授课题组研究方向为燃料电池、电解水以及电化学储能材料与器件的研发。先后主持国家自然科学基金2项，广东省自然科学基金2项，深圳市科创委项目3项，参与科技部重点研发计划、粤深联合基金重点项目以及深圳市“双碳”专项等项目6项。在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、International Journal of Heat and Mass Transfer、Nature Communications和Renewable and Sustainable Energy Reviews等期刊发表学术论文150余篇，累计被引用9300余次，H因子49，ESI高被引论文10篇，申请发明专利25项（授权8项），撰写书籍章节2章，2024年荣获全球“终身科学影响力排行榜（1960-2024）”，连续四年位列斯坦福大学发布“全球前2%顶尖科学家”榜单（2021-2024）。

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课题组招聘

南方科技大学曾林课题组招聘二次电池、电解水方向博士后

课题组长期招聘电解水制氢、锌离子电池和固态电池等研究领域的博士后，课题组可以提供冷冻电镜(Cryo-TEM)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、台式X射线吸收精细结构/发射谱仪(XAFS/XES)、原位XRD以及原位Raman、原位红外等多种高端分析表征。感兴趣者请联系zengl3@sustech.edu.cn。