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文 章 信 息
通过Lewis酸碱化学介导的环醚聚合来设计适用于极端温度环境的锌金属电池电解质
第一作者：席慕荣，刘振杰
通讯作者：黄玉代*，刘洪涛*
单位：新疆大学，中南大学
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研 究 背 景
锌金属电池（ZMBs）因成本低、安全性高，在低温储能领域备受关注，但仍面临锌枝晶生长、电极腐蚀、低温电解液冻结等问题。传统电解质（如高浓度盐、共晶电解质）在低温性能、电化学窗口和抑制副反应方面存在不足。本工作中作者通过Lewis酸碱化学介导的环醚（DOL）聚合，开发了一种新型低浓度的弱溶剂化电解质：聚合1,3-二氧戊环（pDOL）作为稀释剂，结合Zn(TFSI)₂盐和H₂O，通过调控DOL聚合度优化电解质的性能。其具有宽电化学窗口（2.87 V vs. Zn/Zn²⁺），稳定的富ZnF₂/ZnO的无机-有机复合SEI层，出色的抑制析氢反应（HER）能力，超低凝固点（-71.5°C）和良好的低温离子电导率（-70°C时为0.18 mS cm⁻¹），同时表现出优异的枝晶抑制能力（25°C下循环5400h，-40°C下1024h）。基于此电解液的Zn//PANI全电池在-70°C的极低温度下循环600次，容量保持率90.6%。该研究通过创新的电解质设计，突破了锌金属电池在极端低温环境下的性能瓶颈，为低温储能系统提供了解决方案。
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文 章 简 介
近日，新疆大学黄玉代教授与中南大学刘洪涛教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Electrolyte for Zn metal battery under extreme temperature operations design by Lewis acid-base chemically mediated polymerization of cyclic ether”的观点文章。该观点文章分析了ZMBs存在锌枝晶生长、电极腐蚀和低温下电解液冻结等问题。虽然现有的电解质设计，如高浓度盐电解质、共晶电解质、聚合物电解质等在一定程度上拓宽了电压窗口，抑制了锌枝晶和电极腐蚀，但它们的低温性能仍有待改进。本工作中，作者使用聚合的1,3-二氧戊环（pDOL）作为稀释剂，结合Lewis酸碱化学调控聚合过程，制备出具有宽电化学窗口、低凝固点和优异离子电导率的电解质。具体而言，作者通过H2O 调节Zn(TFSI)₂的Lewis酸性，控制DOL的聚合程度，得到分子量合适的pDOL，从而优化电解质的性能。作者详细展示了此新型电解质的物理化学特性，如离子电导率、电化学窗口、SEI层的成分分析等。通过多种表征技术（如XPS、TOF-SIMS、SEM等），验证了pDOL基电解质在抑制枝晶生长、减少腐蚀和提高低温性能方面的有效性。此外，全电池测试表明，使用该电解质的Zn//PANI电池在-70°C至25°C范围内具有优异的循环稳定性。
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本 文 要 点
要点一：超低凝固点电解质设计
使用聚合的1,3-二氧戊环（pDOL）作为稀释剂，结合Lewis酸碱化学调控聚合过程，制备出具有宽电化学窗口、低凝固点和优异离子电导率的电解质。作者通过引入路易斯碱性的H2O来调控Zn(TFSI)₂的Lewis酸性，进而控制DOL的聚合程度，得到分子量合适的pDOL，从而优化电解质的性能。聚合1,3-二氧戊环（pDOL）作为稀释剂，结合Zn(TFSI)₂盐和H₂O，通过调控聚合度优化电解质的分子量和性能。最终得到了具有宽电化学窗口（2.87 V vs. Zn/Zn²⁺），和超低凝固点（-71.5°C），良好低温离子电导率（-70°C时为0.18 mS cm⁻¹）的pDOL(91)电解液。
Figure 1 The mechanism of ring-opening polymerization of DOL. (a) Schematic illustration showing the design of the experiments to investigate the role of H2Oin ring-opening polymerization of DOL. (b) Lewis structure of H2O and its electrostatic potentials (ESP). (c) Binding energy between DOL, Zn2+, TFSI- and H2 Omolecules. (d) High-resolution Orbitrap ESI-MS mass spectra of different pDOL. (e) The optical photographs of different pDOL electrolytes and 0.5 M Zn(TFSI)2 in H2O electrolyte at extreme temperature operations of –70 °C. (f) LSV curves of various electrolytes at 0.5 mV s−1.
要点二：富ZnF₂/ZnO的无机-有机复合SEI界面
XPS和TOF-SIMS显示SEI层中ZnF₂和ZnO梯度分布，抑制枝晶和腐蚀。DRT分析表明pDOL电解质界面电荷转移电阻（Rct）更低。
Figure 2. XPS depth profiles of (a) Zn 2p, (b) F 1 s, (c) C 1 s, and (d) O 1s for the Zn anode after cycle in 0.5 M Zn(TFSI)2 in H2O and pDOL(91) electrolytes with various Ar+ sputtering times. (e) Schematic diagram of pDOL modulation of electrolyte freezing point and effect on the formation mechanism of ZnF2-rich SEIs. Analysis of the distribution of relaxation times (DRT) upon galvanostatic of Zn//Zn symmetric cells in (f) 0.5 M Zn(TFSI)2 in H2O and (g) pDOL(91) electrolytes. (h) Tafel curves and corresponding corrosion potentials. DRT analysis of Zn//Zn symmetric cells in (i) 0.5 M Zn(TFSI)2 in H2O and (j) pDOL(91) electrolytes by operando EIS evolution during standing.
要点三：低温下锌沉积的形貌和SEI成分动态演变
低温对沉积动力学与形貌的影响：低温下，Zn²⁺的传输速率和反应动力学降低，沉积核尺寸减小，核密度增加，形成更小的沉积物（如纳米片）。SEM图像显示，低温下沉积的锌颗粒更小，沉积形态从六方颗粒转变为纳米片。
低温对SEI的影响：25°C时，SEI层富含ZnO和ZnF₂无机成分，少量C-H-O有机成分呈梯度分布（有机成分在表面，ZnO在深层）。-20°C时，ZnO含量减少，ZnF₂比例增加，SEI主要由ZnF₂和ZnO组成，有机成分减少且更薄。-40°C时，SEI主要由ZnO和ZnF₂组成，有机成分极少，SEI层更薄且均匀。
Figure 3 (a, b, c) The SEM images of Zn cycled in pDOL(91) electrolyte at different temperatures and their (d, e, f) 3D render images of ZnF, ZnO, CHO. (g) Diagram of the relationship between metal Zn deposition and temperature.
要点四：电池出色的低温表现
Zn//Cu非对称电池在pDOL(9:1)电解质中实现1300次循环（库仑效率99.7%）。优异枝晶抑制（25°C下循环5400h，-40°C下1024h）。Zn//PANI全电池在-70°C下循环600次，容量保持率90.6%。软包电池在-40°C下稳定运行，点亮LED设备。
Figure 4 (a) CE of Zn//Cu asymmetric cells in both electrolytes. (b) Voltage profiles in both electrolytes. Voltage profiles in pDOL(91) electrolyte at (c) –20°C and (d) –40°C. (e) A comparison of the lifetime and temperature of Zn deposition in this work and those reported in the literatures. Three-dimensional distribution of Zn from laser confocal scanning microscopy images: (f) in 0.5 M Zn(TFSI)2 in H2O electrolyte at 25°C, in pDOL(91) electrolyte at (g) 25°C, (h) –20°C, and (i) –40°C
Figure 5 Performances of the Zn//PANI full cells in both electrolytes.
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文 章 链 接
“Electrolyte for Zn Metal Battery Under Extreme Temperature Operations Design by Lewis Acid-base Chemically Mediated Polymerization of Cyclic Ether”
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104091
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通 讯 作 者 简 介
黄玉代，二级教授，新疆大学博士生导师，教育部新世纪优秀人才，国务院政府特殊津贴专家，入选新疆“天山英才-科技创新领军人才”。主要从事电化学、材料物理与化学等方面的研究工作。主持省部级以上科研项目30余项，其中包括国家自然科学基金项目7项，教育部新世纪优秀人才支持计划和新疆自然科学基金重点项目等，在Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed，Energy Environ. Sci.，Nano-Micro Lett.，Energy Storage Mater.，Adv. Funct. Mater.，Appl. Catal. B，Adv. Powder Mater. 等刊物上发表SCI收录的学术论文130余篇，研究成果分别获新疆自然科学奖一等奖（排名第一），新疆科技进步奖一等奖（排名第二），中国产学研合作创新奖等多项奖励。
刘洪涛，中南大学教授，博士生导师，中南大学化学电源与材料研究所副所长，入选中南大学531人才计划、新疆天池英才计划。主要从事电化学技术和先进电池方面的基础理论和应用开发研究；主持和联合承担国家重点研发计划（课题）、国家自然科学基金（面上）、湖南省科技计划（重大、重点）、湖南省自然科学基金（重点、面上）以及产学研合作开发项目等20余项；申请国家发明专利30余件（授权>20件），发表科研论文200余篇；多次荣获中南大学优秀教师奖。
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第 一 作 者 简 介
第一作者 席慕荣，新疆大学博士生，师从黄玉代教授，主要从事水系锌电池先进界面设计的研究工作。目前以第一作者或共同一作身份在Energy Environ. Sci.，Energy Storage Mater., Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed，Nano-Micro Lett.等刊物上发表SCI收录的学术论文11篇，研究成果分别获博士研究生国家奖学金，第五届新威学术论文奖“人气奖”，入选2024年度中国科协青年人才托举工程博士生专项计划，获新疆研究生创新项目和新疆大学“优秀研究生创新项目”资助。
共同第一作者 刘振杰，新疆大学博士生，师从黄玉代教授，主要从事电化学相关材料的研究工作。目前以第一作者或共同一作身份在Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed，Energy Environ. Sci.，Nano-Micro Lett.，Adv. Powder Mater.等刊物上发表SCI收录的学术论文14篇，研究成果分别获《纳米研究》校园巡回学术讲座暨Nano Research奖学金一等奖，新疆大学芙蓉学子榜样力量“学术科研奖”，特变电工-天津大学博士生论坛优秀论文奖，清华大学化学系-新疆大学化学学院联合博士生学术论坛暨岛津奖学金论文评审会优秀论文奖等多项奖励。
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