康飞宇教授、周栋副教授，最新Angew：无串扰锰基锌离子电池的解耦电解液设计

单位：清华大学深圳国际研究生院

可充电水系锌离子电池（ZIBs）因其固有的安全性、环境友好性和低成本，已成为一种具有广阔应用前景的储能技术。然而，过渡金属离子的串扰问题（即过渡金属离子溶解并迁移至负极的过程）在很大程度上被忽视了。串扰效应不仅会导致正极活性物质损失，也会引起Mn²⁺与Zn²⁺的竞争性溶剂化结构，诱导Zn不均匀沉积并加剧腐蚀。研究表明，表面包覆和离子掺杂是提升MnO₂结构稳定性的有效手段，但是会不可避免地阻碍离子传输进而影响正极反应动力学。向电解液中加入Mn²⁺被视为一种更为便捷的电解液优化手段，但依旧无法避免Mn²⁺向负极侧的串扰所带来的界面恶化的问题因此，为长寿命、高稳定的锰基锌电开发无串扰电解液体系仍是一个巨大的挑战。

基于此，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授与周栋副教授在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Electrolyte Decoupling Strategy for Metal Oxide-Based Zinc-ion Batteries Free of Crosstalk Effect”的文章。该文章指出了过渡金属离子在金属氧化物正极和锌负极之间的串扰效应是限制锌离子电池（ZIB）的实际应用的重要因素，并据此提出了一种由非水相（N-phase）电解液和水相（A-phase）电解液组成的解耦电解液体系（Decoupled electrolyte, DCE），以抑制Mn²⁺ 的串扰，从而延长Zn||MnO₂电池的循环寿命。通过实验表征和理论计算验证了磷酸三甲酯（TMP）不仅能与非水相中的 NH₄Cl 协同作用，使 Zn²⁺ 快速传导，同时阻止 Mn²⁺ 向Zn负极的串扰，还能有效改善 Zn²⁺ 的溶剂化结构，抑制枝晶生长和腐蚀反应的发生。同时，水相电解液的使用能够有效加速正极反应动力学。所设计的 Zn|DCE|MnO₂ 电池在 0.5 A g^-1 条件下循环 900 次后，容量保持率为 80.13%。此外，这种方法同样适用于其他过渡金属氧化物正极（例如V₂O₅），从而为开发超稳定锌离子电池开辟了一条新途径。

图1. 解耦电解液的设计原则。

图2. N-phase电解液的溶剂化结构表征。

图3. 抗腐蚀性能及Zn²⁺沉积动力学研究。

图4. Zn沉积形貌研究。

图5. 全电池性能研究。

图6. MnO₂沉积行为表征。

本工作开发了一种由非水相电解液和水相电解液组成的解耦电解液，以实现无串扰的锰基锌离子电池。非水相电解液中 TMP 和 NH₄Cl 的协同作用促进了 Zn²⁺的传导，并限制Mn²⁺的溶解，从而抑制了 Mn²⁺向 Zn负极的穿梭，提高了 Zn||MnO₂ 电池的稳定性。非水相电解液中的 TMP 有效地改变了 Zn²⁺ 的溶解结构，从而抑制了 HER 和枝晶在 Zn 负极上的生长。同时，水相电解液有效地活化金属氧化物正极的晶格结构，并促进了正极反应动力学。在非水相电解液中组装的 Zn||Zn 电池的寿命延长了五倍。所开发的 Zn|DCE|MnO₂ 全电池的循环寿命超过 900 次，容量保持率达到80%。此外，这一策略可扩展到其他过渡金属氧化物正极（如 V₂O₅），对开发实用的高性能金属氧化物基锌离子电池具有指导意义。

Electrolyte Decoupling Strategy for Metal Oxide-Based Zinc-ion Batteries Free of Crosstalk Effect

康飞宇教授：清华大学深圳国际研究生院教授、博士生导师。入选“广东特支计划”和深圳市杰出人才，2018-2021年连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”，以第一完成人获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖、广东省自然科学一等奖和中国建材学会技术发明一等奖，并获深圳市长奖和广东省丁颖科技奖。作为材料科学与技术专家，在储能用碳材料和先进电池方面取得系统性创新成果。2012年发现并阐明了锌离子可逆电化学反应机制，建立了多价离子存储理论（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 933），有力地推进了水系二次电池的产业化进程。作为首席科学家主持了国家重大科学研究计划项目和多项国家自然科学基金重点项目、科技部863项目和科技攻关计划。迄今发表SCI论文450余篇，他引35000余次，60篇曾入选ESI高被引论文，H因子108，合著中英文著作8部，授权发明专利160件（包括美日韩专利12件），31件实现技术转移和应用。

周栋副教授：清华大学深圳国际研究生院副教授、博士生导师。长期致力于极端环境用二次电池及其关键材料开发。在Nat. Energy.、Nat. Nanotechnol.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表学术论文80余篇，被引9000余次，申请中国专利五项，入选国家高层次青年人才、全球前2%顶尖科学家（2020-2024）、日本JSPS Fellowship、澳大利亚DECRA Fellow，获得广东省自然科学一等奖（2019）、第三届广东省材料研究学会青年科技奖（2024）。担任中国复合材料学会新型电池分会委员；eScience、Energy Material and Devices等期刊青年编委。欢迎优秀博士后加入周栋课题组从事科学研究，有意者请联系zhou.d@sz.tsinghua.edu.cn