陈忠伟院士最新AM: “共晶溶剂化壳”助力水系锌电池-40℃-20℃下循环数千次

陈忠伟院士团队提出“共晶溶剂化壳”概念，通过调控电解液结构显著提升了水系锌电池在低温及室温下的循环稳定性，实现了-40℃下2000小时和-20℃下1000次以上的稳定循环。研究背景与核心问题水系锌电池的优势与挑战锌负极因高理论容量（820 mAh g?1）、低成本和安全性备受关注，但存在电化学腐蚀、析氢和枝晶生长问题，导致循环性能差，尤其在低温下反应动力学缓慢，性能恶化显著。研究价值：通过电解液结构调控改善反应动力学，实现室温及低温下的长循环稳定性。关键创新：“共晶溶剂化壳”策略概念提出团队首次提出“共晶溶剂化壳”概念，通过在Zn(OTf)?电解液中添加异丙醇，构建了由OTf?和异丙醇组成的Zn2?外部溶剂化壳。改性机制：异丙醇分子取代外溶剂化壳中的水分子，不影响内层溶剂化结构（MD模拟验证），延长电池寿命。定向沉积：共晶层与锌表面（101）和（002）晶面亲和力强，促进锌金属定向沉积，抑制枝晶生长。低温动力学优势：DFT计算表明，新溶剂化壳显著提升锌离子在界面处的去溶剂化能力，尤其在低温下表现突出。图1：共晶溶剂化结构及Zn2?沉积过程示意图（室温与低温对比）。实验验证与性能突破Zn|Zn对称电池性能在15 mA cm?2高电流密度下，循环寿命达500小时，显著优于文献报道的电解质设计。极端低温测试：-40℃下循环寿命超过2000小时，证明共晶溶剂化壳在低温下的稳定性。Zn|V?O?软包电池性能室温下：1 A g?1电流密度下稳定循环。低温测试：-20℃下循环超过1000次，软包电池性能优异，验证了实际应用潜力。图5：Zn|Zn对称电池与Zn|V?O?电池在室温及低温下的循环性能。多尺度表征技术支撑同步辐射技术：通过Zn K边EXAFS光谱和MD模拟，揭示溶剂化结构演变（图2）。原位光学显微镜与CT成像：观察锌负极沉积形貌，异丙醇复合电解质显著减少枝晶（图3）。变温NMR与SEM：分析低温下去溶剂化能力及电极表面形貌（图4）。图3：常规电解质与异丙醇复合电解质下锌负极的2D GIXRD、原位显微镜及CT成像对比。理论计算与机制深化MD模拟与RDF分析：证实外溶剂化壳由OTf?和异丙醇组成，与锌表面晶面亲和力强（图2c-d）。DFT计算：量化锌离子去溶剂化能垒，解释低温下快速动力学原因（图4b-c）。研究意义与展望学术价值：首次通过调控外溶剂化壳实现锌均匀沉积，为低温电池设计提供了新范式。应用前景：策略可推广至其他储能体系（如锂离子电池），推动极端条件下能源设备的发展。文献与团队信息文献标题：Regulation of Outer Solvation Shell toward Superior Low-temperature Aqueous Zinc-ion BatteriesDOI：10.1002/adma.202207344通讯作者：陈忠伟院士（加拿大滑铁卢大学）、王新研究员、罗丹副研究员。第一作者：马谦益硕士、高睿博士。