【能源】天然丝素蛋白助力水系锌电池实现超宽温稳定运行- 大数跨境

X-MOL资讯

2025-02-28

导读：湖南大学朱智强教授团队发现，蚕丝中的丝素蛋白（SF）具有独特的双亲特性（亲水/亲锌），既能与水分子互动，又能与锌离子结合。

随着全球对可再生能源需求的增长，开发安全环保的储能技术成为当务之急。水系锌离子电池因使用水基电解液和储量丰富的锌金属，被视为极具潜力的绿色储能方案。然而，这类电池在极端温度下表现不佳：低温时电解液结冰导致电池“罢工”，高温时电极/电解液界面副反应又引发失效，严重限制了实际应用。传统改进方案如高浓度盐电解液、有机-水混合电解液或凝胶电解质虽能缓解部分问题，却往往顾此失彼——或牺牲动力学，或降低高温稳定性。例如，某些电解液虽耐低温，但高温下容易腐蚀电极；而有些电解液虽提升稳定性，却因离子电导率过低拖慢反应动力学。更棘手的是，这些改进通常只能针对单一温度场景，难以满足日常使用中冬夏温差带来的严苛要求。

近日，湖南大学朱智强教授团队独辟蹊径，从自然界的生物材料中找到了突破口。他们发现，蚕丝中的丝素蛋白（SF）具有独特的双亲特性（亲水/亲锌），既能与水分子互动，又能与锌离子结合。将微量SF（每升电解液仅添加6克）融入高浓度氯化锌“盐包水”（WISE）电解液后，可以同时调控“电解液结构+电极/电解液界面”，进而实现水系锌电池在−60 °C至60 °C宽温域范围内稳定性与反应动力学的协同提升。

图1. SF添加剂的作用机制。

如图1所示，SF可以重构水分子氢键网络并参与Zn²⁺配位，有效降低电解液粘度，并抑制副反应；此外，SF通过自发的吸附和相变过程同时在正、负极表面形成双亲性保护层，增强电解液在电极表面的润湿性，促进锌均匀沉积，并抑制正极溶解。实验显示，采用该电解液的Zn||Zn对称电池在−60 °C下展现出优异动力学（1 mA cm⁻²下极化电压仅180 mV），并在60 °C高温条件下保持长效循环稳定性（2 mA cm⁻²下稳定运行200小时）。此外，该电解液对无机正极（V₂O₅·nH₂O）与有机正极（PANI）均表现出优异的适配性。更令人瞩目的是，团队成功制备出能量密度达72 Wh L⁻¹和锌负极利用率47%的安时级软包电池，在室温下0.5 A g⁻¹循环50次后容量保持率达91%，并可在−60 °C至60 °C范围内稳定工作。

图2. 全电池的电化学性能。

这项研究为开发全天候适用的水系电池提供了新思路，同时拓展了生物材料在能源领域的应用边界，对推动绿色电化学储能技术发展具有重要参考价值。相关研究成果发表在国际期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Aqueous Zinc-Ion Batteries with Boosted Stability and Kinetics Under a Wide Temperature Range

Lei Zhang, Yu Han, Yaheng Geng, Hui Zhang, Hongguang Liu, Yan He, Zichao Yan, and Zhiqiang Zhu*

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202500434

作者简介

朱智强，湖南大学化学化工学院教授、博士生导师，入选国家高层次青年人才、湖南省科技创新领军人才。主要研究方向为低成本储能电池材料与器件设计。迄今为止，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Natl. Sci. Rev. 等期刊发表SCI论文50余篇，总引用8000余次，H因子45。主持国家重点研发计划青年科学家项目等8项国家级/省部级项目。担任eScience、Carbon Neutralization、Chinese Chemical Letters等期刊编委/青年编委。作为主要完成人，获2016年天津市自然科学一等奖、2020年高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖。

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