福州大学杨程凯三校联合AM：两极反转，莫比乌斯破阵乐，解百年难题

第一作者：邱衍滨

通讯作者：杨程凯*，李逸坦*，张文军*，林德武*

单位：福州大学，山东大学，香港城市大学

破阵子

莫比乌斯衔首，两极倒转玉龙。

太姥千山熔金铄，东海潮头铸锌虹。

乾坤一掷中。

云崩石裂雷动，阴阳双鲤跃空。

夸父杖挥兴三界，共工颅撞地天通。

朝夕气化风。

早在一百五十多年前，公元1858年，两名德国数学家发现，一个扭转180度后再两头粘接起来的纸条，与普通纸带具有两个面 (双侧曲面)不同，这样的纸带只有一个面，一只小虫可以爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘， 这一神奇的单面纸带被称为莫比乌斯带。福州大学杨程凯等人结合这一发现，尝试将莫比乌斯环的结构特点导入溶液中去，构建溶液团簇极性的拓扑性质，奏极性拓扑破阵乐，破解锌离子电池的两百年难题。

基于此，福州大学杨程凯与山东大学的李逸坦研究员，香港城市大学的张文军教授、林德武研究员（现入职北京大学材料学院）合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Möbius Solvation Structure for Zinc-Ion Batteries”的文章。该文章开创了无表面活性剂微乳液电解质中由油、水和两亲盐组成的油包水型莫比乌斯极性拓扑溶剂化的首次应用，并表现出优异的性能和普适性。

利用两亲性锌盐代替表面活性剂形成由Ouzo效应诱导的无表面活性剂微乳液电解质。在无表面活性剂微乳液电解质中，油、水和两亲性锌盐通过微妙的分子间相互作用形成油包水型莫比乌斯极性拓扑溶剂化。两亲性盐在油和水之间起着桥梁作用，弥合了油溶剂和水之间的差距，并确保了极性和非极性相的无缝结合。

要点二：莫比乌斯溶剂化结构

这种油包水型莫比乌斯溶剂化结构以其独特的内层和外层以及极性反转为特征，成功地将非极性相与极性相连接起来，消除了对表面活性剂的需求，从而降低了成本和系统复杂性。盐的两亲性阴离子产生极性奇点，并稳定极性反转包封。外层油层破坏了水的内聚极性网络，并构建了一个极性反转的笼子来限制水。这种莫比乌斯溶剂化结构可以精确调节溶剂分子，严格限制内部溶剂化水的分子运动、反应活性和质子传输，显著抑制水的寄生反应。此外，我们开发了六种不同的油基体系来验证这项工作的普遍性。总体而言，这项工作深入探索了电解质设计中几何和极性特性，建立了一种全新的电解质体系。

要点三：优异的界面稳定性

锌负极的析氢和腐蚀反应以及正极活性材料的溶解得到了显著抑制。此外，油包水型莫比乌斯极性拓扑溶剂化可以调节锌离子的输运、成核和生长过程，形成致密光滑的沉积形态。同时，它还抑制了溶剂的过度分解，形成了具有有机外层和无机内层的复合SEI。

Möbius Solvation Structure for Zinc-Ion Batteries

杨程凯副教授简介：北京大学理学博士，福州大学材料科学与工程学院副教授，硕导。福建省高层次人才。研究工作面向高效能源存储材料与化学，围绕电极表界面调控和溶剂化调变规律开展工作，提出了锂离子电池三元正极材料内部结构，并研究内部界面破碎规律，提出链反应机理并设计优化改进方案,拓展了电解质构造新方法，并给出特定溶剂化环境下的离子迁移动力学，并针对经典正负极材料进行改性应用。相关工作申请获批国家自然科学基金、福建省自然科学基金、山西省科技厅重点项目及企业横向项目等多个项目。以第一或者通讯作者在 Adv. Mater., Energy Stor. Mater., Electrochemical Energy Reviews, Mater. Horiz., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett, JMCA, Small, J. Power Sources, J Energy Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Eng. J. 等国际期刊上发表 SCI 论文 60 余篇。

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邱衍滨，福州大学 2021 级硕士研究生，主要研究方向为锌离子电池电解质设计，界面调控及机理研究