近日，麦立强教授团队在水系锌离子电池研究方面取得重要进展，研究成果以“Organic-solvent-free primary solvation shell for low-temperature aqueous zinc batteries”为题，发表在Cell子刊Chem上。我校为唯一署名单位，博士研究生耿立珊为第一作者，麦立强教授、周亮教授、孟甲申特设研究员为共同通讯作者。
水系锌离子电池由于高安全、低成本特点，被认为具有较大的潜力替代锂离子电池，用于大规模储能应用。但锌金属负极枝晶的形成和水系电解液狭窄的工作温度范围阻碍了锌离子电池的进一步发展。通过在水系电解液中引入有机溶剂，构建复合水系电解液，在一定程度上可以改善以上两个问题。但在这些传统复合水系电解液的初层溶剂化壳层中，有机溶剂分子相比于水分子与锌离子具有更强的结合力，这使得特别是在低温下脱溶剂化动力学十分缓慢，从而导致较大的电化学极化、低的新沉积/剥离库仑效率、枝晶积累、低锌负极利用率、较差的循环性能和低倍率性能。因此开发即使在低温下仍表现出快速脱溶剂化动力学的复合水系电解液，为推动国家清洁能源战略和双碳目标实现至关重要。
为此，麦立强教授团队设计了一类初层溶剂化壳层不含有机溶剂分子的复合水系电解液，克服了传统复合水系电解液特别是在低温下具有缓慢去溶剂化动力学的问题。作为一个经典的研究例子，该电解液（ZAD4）由1 M醋酸锌（Zn(Ac)2，高晶格能）溶液和40 vol%的偶极非质子溶剂二甲基亚砜（DMSO）组成，其中Zn2+离子与CH3COO⁻和H2O配位，形成Zn2+(CH3COO-)2(H2O)4团簇。由于溶剂化壳层中CH3COO-和H2O之间的强氢键，DMSO不参与Zn2+的初层溶剂化壳层，这也得益于DMSO对CH3COO⁻的非溶剂化效应以及DMSO和H2O之间的氢键。这种弱溶剂化结构促使了快速的电荷转移动力学，并促进Zn2+快速通过由脱溶剂化CH3COO⁻和吸附DMSO分解产生的梯度固体电解质界面（SEI）。在-20°C下，使用团队研发的新型复合水系电解液，Zn负极沉积剥离具有97.7%的高初始库仑效率（ICE），长达5600小时的长循环寿命，以及高达50%的Zn放电深度（DODZn），并且具有较小的过电位。
此外，具有CH3COO⁻和Zn2+混合嵌入/脱出充放机理的聚苯胺（PANI）||Zn全电池，表现出0.05 V的低电压极化，25%的Zn放电深度，在0.1 A g-1时展现出约160 mAh g-1的高容量，以及8800圈长循环稳定性和高倍率性能。本设计策略可通用性的扩展开发一系列类似的溶剂化壳层电解液。
麦立强教授团队长期从事新能源动力电池及关键材料的研究开发与产业化应用攻关研究，构筑了国际上第一个单根纳米线器件电子/离子输运原位表征的普适新模型，建立了调控电化学反应动力学的“麦-晏”场效应储能等电子/离子双连续输运理论，突破了储能材料与器件的批量化制备技术；在Nature（3篇）、Science（1篇）等刊物发表SCI论文600余篇，SCI总他引5.6万余次，撰写中文专著2部、英文专著2部、英文专著章节2部；获授权国家发明专利160余项；主持国家重大科研仪器专项等国家级项目30余项。
自2015年开展锌离子电池研究，通过溶剂分子预嵌入技术，实现了层间离子输运自润滑，开发了适合于不同应用场景的数十种层间离子输运自润滑的正极材料，获得国际电化学能源大会卓越研究奖；发明了3D高导电框架复合负极材料，解决了能量密度与循环稳定性难以协同提升的难题，获得光华工程奖和国际车用锂电池协会卓越研究奖；发明了具有独特溶剂化结构的共晶复合电解液，研制出宽温域Ah级软包电池，获得何梁何利奖；搭建了全球首台水系锌离子电池定制化生产设备；突破了储能材料与器件的批量化制备技术，并在东风、华为等30余家企业实现了成果转化与应用，为我国储能材料与器件领域的高质量发展和高水平科技自立自强做出重大贡献。
传统复合水系电解液和本工作的初层溶剂化壳层及脱溶剂化行为
-20℃下锌负极的电化学性能
来源：材料科学与工程学院
通讯员：耿立珊
编辑：李颖 张泽菲
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审稿：沈国芳
