华中科技大学黄云辉教授团队，Journal of the American Chemical Society最新研究

第一作者：丛建龙

通讯作者：黄云辉教授

通讯单位：华中科技大学

水系锌电池是实现本征安全储能的理想选择，但其固有的寄生副反应却难以在实际应用中实现这一目标。尽管共溶剂电解液能有效抑制锌枝晶生长并缓解副反应，但这一策略不可避免地会导致动力学性能损失。

基于此，华中科技大学黄云辉教授团队在Journal of the American Chemical Society期刊上发表了题为“Kinetics Compensation Mechanism in Cosolvent Electrolyte Strategy for Aqueous Zinc Batteries”的文章，针对共溶剂引入难以避免的动力学损失问题，提出了一种削弱阴阳离子间相互作用和提高Zn²⁺迁移数的动力学补偿机制，在一定程度上补偿了因共溶剂引入造成的动力学损失。以含有EC的Zn(OTf)₂基水系电解液为模型体系，验证了共溶剂电解液策略在实现水系锌二次电池的动力学补偿以及提升其电化学性能方面的有效性。这项工作为设计具有优异电化学性能的共溶剂电解液提供了全面而深刻的理解。更重要的是，所提出的策略可应用于其他具有类似性质的共溶剂和其他水系电池体系。

动力学补偿机制示意图与其他共溶剂电解液策略对比的机理示意图

与单纯降低对电解液中Zn²⁺扩散系数的影响的传统策略不同，动力学补偿机制主要通过以下两个方面实现：（1）削弱Zn²⁺与阴离子之间的库仑相互作用；（2）提高Zn²⁺的迁移数。

图1. 溶剂之间的差异。（a）不同溶剂的介电常数。（b）基于单价离子盐在不同溶剂中的临界离子对形成距离。（c）削弱离子对相互作用的示意图。（d）加入不同共溶剂后的水系溶剂的介电常数。虚线代表理论值。（e）2.0 M Zn(OTf)₂在不同共溶剂中的离子电导率。（f）在不同电解液中，锌在铜片上以1.0 mA cm⁻²电流密度沉积的电压曲线。

在所研究的共溶剂体系中，仅当添加EC时，混合水系溶剂的介电常数才会显著提升。尽管EC的粘度更高且离子电导率更低，但含有50 vol.% EC的水系电解液中锌沉积过电位显著低于使用较低体积比DEC的水系电解液体系。这表明在使用EC作为共溶剂的水系电解液中，可能存在一种独特的组分相互作用机制。

图2 组分间的相互作用。（a）在纯水溶剂或含有50体积%不同共溶剂的混合水系溶剂中，一个Zn²⁺与两个OTf⁻之间的结合能。（b）在纯水溶剂或含有50体积%不同共溶剂的混合水系溶剂中，一个Zn²⁺与两个OTf⁻配位氧原子之间的平均键长。（c）Zn²⁺与溶剂分子之间的结合能。（d-f）Zn²⁺与（d）EC、（e）PC和（f）DEC的配位氧原子之间的键长。在球棍模型中，原子的颜色为：氢，浅灰色；碳，深灰色；氧，红色；锌，蓝灰色。

引入具有高介电常数的EC可有效削弱Zn²⁺与OTf^-之间的离子对相互作用，引入其他介电常数较低的有机溶剂则会增强Zn²⁺与OTf^-之间的离子对相互作用。

图3 溶剂化结构的差异。（a-c）Zn²⁺第一溶剂化壳层中相应分子/离子的配位数：（a）H₂O，（b）OTf⁻和（c）共溶剂。（d）根据MD结果，溶剂化环境与Zn²⁺动力学性质之间的关系图。坐标轴按梯度高度显示，每条轴对应相同颜色的折线图。

图4 EC对水系电解液的影响。（a）不同电解液的FTIR光谱。（b）不同电解液的¹⁷O NMR光谱。（c）不同电解液的⁶⁷Zn NMR光谱。（d）Zn K边的EXAFS光谱。（e-g）Zn K边的小波变换：（e）10H₂O，（f）8H₂O2EC和（g）5H₂O5EC。

图5 电解液和锌负极的电化学性能。（a）在5.0 mA cm⁻²和1.0 mAh cm⁻²条件下，Zn/Zn电池的循环性能。（b）在5.0 mA cm⁻²和1.0 mAh cm⁻²条件下，Zn/Cu电池的循环性能。（c）在含有50体积% EC的水系电解液中，Zn/Cu电池的对应电压曲线。（d）在纯水系电解液中沉积的锌表面的HRTEM图像。（e）在含有50体积% EC的水系电解液中沉积的锌表面的HRTEM图像。（f）沉积锌表面的STEM图像和EDS元素分布图。

图6. 全电池的电化学性能。（a）在1.0 A g⁻¹条件下，Zn/LVP全电池的循环性能。（b）在0.1 A g⁻¹条件下，Zn/LVP全电池的循环性能。（c）在含有50体积% EC的水系电解液中，Zn/LVP全电池的对应电压曲线。（d）Zn/LVP全电池的倍率性能。电流密度分别为0.1、0.2、0.3、0.5、1.0 A g⁻¹。

尽管引入EC不可避免地导致离子电导率降低，但采用具有动力学补偿机制的水系电解液的Zn/LVP全电池在较高充放电倍率下仍能保持与纯水系电解液极为接近的放电比容量。

本研究提出了一种水系锌电池共溶剂电解液策略中的动力学补偿机制，该机制可以通过引入高介电常数的共溶剂来削弱阴阳离子对之间的相互作用并提高迁移数，从而补偿因引入共溶剂导致的动力学性能损失。以含有EC的基于Zn(OTf)₂的水性电解液作为模型体系，验证了这种共溶剂电解液策略在实现水系锌电池动力学补偿的同时提升其电化学性能的有效性。这一策略也适用于其他具有类似性质的共溶剂以及其他水系电池体系。

Jianlong Cong, Yueda Wang, Xing Lin, Zhimei Huang, Hua Wang, Jianbo Li, Le Hu, Haiming Hua, Jianxing Huang, Yu-chang Lin, Henghui Xu, Zhen Li, Yunhui Huang*.

Kinetics Compensation Mechanism in Cosolvent Electrolyte Strategy for Aqueous Zinc Batteries.

Journal of the American Chemical Society, 2025, 10.1021/jacs.4c16880.

黄云辉：华中科技大学教授，博士生导师，校学术委员会副主任，国家杰出青年科学基金获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。分别于1988、1991和2000年在北京大学获得学士、硕士和博士学位，师从高小霞先生和徐光宪先生从事电分析化学和稀土无机化学研究。2002年任复旦大学副教授，期间在日本东京工业大学作为JSPS研究员开展磁电阻功能材料方面的合作研究。2004-2007年在美国德克萨斯大学奥斯汀分校师从John B. Goodenough教授（2019年诺贝尔化学奖得主）从事锂离子电池和固态氧化物燃料电池研究。2008年回国到华中科技大学工作，创建了动力与储能电池实验室。2010-2017年任材料科学与工程学院院长和学术委员会主任。

主要研究领域包括锂离子动力与储能电池、下一代锂硫和锂-空气电池、钠离子电池、固体氧化物燃料电池。在Science, Chem. Soc. Rev., Joule, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun.等学术期刊上发表学术论文累计500余篇。其中ESI高被引论文70篇、热点论文12篇，2篇论文入选年度“中国百篇最具影响力的国际论文”，引用5万余次。2018-2021年入选科睿唯安材料领域全球高被引科学家和爱思唯尔中国高被引学者。授权或公开专利70余件。锂离子电池正极材料、快充技术、电池健康状态超声检测技术等成果已实现应用。2012年获中国侨界贡献奖（创新人才），2015年获教育部自然科学一等奖，2016年获国家自然科学二等奖，2020年获湖北省自然科学一等奖。