【摘要】 中科院大连化物所团队在《Nature Communications》发表研究，开发多相水系湿砂电解液提升锌电池高温性能。科学指南针提供MD计算支持，助力电解液结构解析。

中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟院士、汪冬冬研究员团队在《Nature Communications》发表创新研究成果，通过多相水系湿砂电解液（MASSE）设计成功提升锌金属电池高温性能。科学指南针为本研究提供分子动力学（MD）计算支持，助力电解液结构解析与性能优化。

 

研究背景与高温锌电池挑战

水系锌金属电池凭借高安全性、低成本及环境友好性，在电网储能领域展现应用潜力。然而，高温环境下自由水分子活性引发副反应，严重制约电池循环寿命与可靠性。

核心技术瓶颈：

  • 60°C以上高温加速电解液分解反应

  • 锌负极析氢腐蚀导致容量衰减

  • 正极材料溶解引发结构失效

  • 气泡积聚造成机械损伤

  • 传统电解液高温稳定性差

 

创新方法：多相湿砂电解液设计

研究团队受自然界中砂土结构启发，开发多相水系湿砂电解液（MASSE），通过组分协同作用抑制水分子活性，提升高温稳定性。

技术突破要点：

  • 二甘醇（DEG）与氧化铝纳米颗粒构建多相体系

  • 氢键网络重构降低自由水反应活性

  • 缺水溶剂化结构抑制副反应发生

  • 界面稳定性增强提升循环寿命

  • 宽温域适应性扩展应用场景

 

理论计算与机理解析

科学指南针支持的分子动力学计算深入揭示湿砂电解液氢键网络变化与溶剂化结构优化机制。

计算研究发现：

  • MD模拟显示MASSE中水分子间氢键数量减少

  • 氢键距离延长、角度缩小，证实网络结构改变

  • DEG和Al₂O₃组分与水分子形成更强氢键

  • 自由水活性降低抑制副反应路径

  • 溶剂化结构优化提升离子传输效率

图1 | MASSE中对水活性的抑制。 a氢键复合物的电子密度图及能量差；不同电解质中水分子之间氢键的分子动力学模拟：b 氢键数量，c 氢键距离，d 氢键角度；e拉曼光谱获得的强氢键和中氢键的强度；f水分子O-H伸缩振动的FTIR光谱；g不同类型结合水含量比例。

图2 | MASSE的热稳定溶剂化结构。a Zn(OTf)2-H2O, b Zn(OTf)2-DEG 和 c MASSE 的3D快照及代表性溶剂化结构；d Zn(OTf)2-H2O, e Zn(OTf)2-DEG, f MASSE中Zn2+的径向分布函数和配位数；g归一化Zn K边XANES光谱；h Zn K边EXAFS光谱的傅里叶变换；i EXAFS光谱的小波变换图像；j代表性溶剂化结构的结合能；k Zn(OTf)2-H2O, l Zn(OTf)2-DEG, m MASSE在不同温度下O-H伸缩的原位拉曼光谱。

图3 | 高温下MASSE对副反应的抑制。 a 80 °C下的Tafel曲线；b Zn@Cu电极在80 °C下浸入不同电解质中的电压-时间曲线；c 50次循环后（80 °C）锌负极XRD图谱；d Zn(OTf)2-H2O, e Zn(OTf)2-DEG, f MASSE中循环后锌负极表面的3D拉曼谱图；g在80 °C下的LSV曲线；h原位pH曲线；i Zn||Zn对称电池在80 °C下的DEMS谱图。j Zn(OTf)2-H2O, k Zn(OTf)2-DEG, l MASSE中Zn||Zn电池循环过程中的原位EIS曲线。

图4 | 高温下MASSE对锌枝晶的抑制。 a Zn(OTf)2-H2O, d Zn(OTf)2-DEG 和 g MASSE中室温下循环50次后锌负极的SEM图像；b Zn(OTf)2-H2O, e Zn(OTf)2-DEG 和 h MASSE中80 °C下锌沉积形貌；c Zn(OTf)2-H2O, f Zn(OTf)2-DEG 和 i MASSE中80 °C下循环50次后锌负极的SEM图像；j Zn(OTf)2-H2O, k Zn(OTf)2-DEG 和 l MASSE中80 °C下循环50次后锌负极的LSCM图像；m-o MASSE增强高温性能的机理示意图。

 

电解液性能与表征分析

多相湿砂电解液展现出优异的高温稳定性和电化学性能，通过系统表征验证其优势。

性能验证结果：

  • 拉曼光谱显示强氢键组分减少，中氢键增加

  • FTIR光谱证实O-H伸缩振动峰稳定性提升

  • 氢键网络重构降低水分子反应活性

  • 高温下电解液结构保持稳定

  • 离子电导率在宽温范围内维持高水平

 

电化学性能评估

MASSE电解液在高温条件下展现出卓越的电化学性能，突破传统锌电池温度限制。

性能卓越表现：

  • 140°C高温下循环寿命达1700次

  • 8 A g⁻¹高电流密度下容量保持稳定

  • 锌沉积过电位显著降低

  • 库伦效率提升至98.6%

  • 阻抗增长缓慢，界面稳定性优异

图5 | 半电池在高温下的电化学性能。 a Zn||Cu电池在80 °C下的循环性能；b Zn||Zn电池在25 °C下的循环性能；c Zn||Zn电池在80 °C下的循环性能；d Zn||Zn电池在80 °C下的倍率性能；e Zn||Zn电池在100 °C下的循环性能；f 使用MASSE的Zn||Zn电池在不同温度下的循环性能；g Zn||Zn电池在高温下的性能比较。h Zn||Zn软包电池在80 °C下的循环性能。

 

界面稳定性与抑制机理

湿砂电解液通过多重机制抑制副反应和枝晶生长，提升电池高温性能。

抑制机制突破：

  • 缺水溶剂化结构减少水分子参与副反应

  • 氢键网络优化抑制析氢反应

  • 均匀离子流促进致密锌沉积

  • 界面保护层增强化学稳定性

  • 热稳定性提升适应高温环境

图6 | 使用MASSE全电池增强的高温性能。 a 25 °C和 b 80 °C下Zn||PANI全电池的循环性能和库伦效率。c 80 °C下Zn||PANI全电池的倍率性能和库伦效率；d 使用MASSE的Zn||PANI全电池在不同温度下的电化学性能。e全电池性能比较。f Zn||PANI软包电池的循环性能和库伦效率。g Zn(OTf)2-DEG 和 h MASSE软包电池的热成像图。

 

应用前景与总结

多相湿砂电解液策略为高温锌金属电池开发提供创新解决方案，推动储能技术发展。

创新价值总结：

  • 多相设计实现电解液结构精准调控

  • 氢键工程有效抑制高温副反应

  • 科学指南针计算支持为机理解析提供关键支撑

  • 为极端环境储能应用开辟新路径

应用前景：

  • 航空航天高温储能系统

  • 石油勘探极端环境电源

  • 电网级大规模储能装置

  • 可再生能源高温存储

论文信息：Nature Communications, 2025

DOI：10.1038/s41467-025-67020-z

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