基于水系电解液的低温锌金属电池（LT-ZIBs）因其丰富的天然锌资源和低廉的成本而具有广阔的应用前景。通过合理设计正极材料，如金属氧化物、金属硫化物和普鲁士蓝，可获得具有高能量密度的锌金属电池。然而，在低温环境下，电极/电解液界面处大的去溶剂化能垒及缓慢的扩散动力学导致其倍率性能和长循环寿命远不能令人满意。基于此，结合合作团队前期在电子结构调控界面层，降低势垒提升载流子传输动力学，增强金属二次电池电化学性能等研究基础（Adv. Mater. 2023, 35, 2302828; Angew 2023, 135, e202311693; Adv. Funct. Mater. 2023, 2302624; Adv. Funct. Mater. 2023, 2305674; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212499; ACS Nano 2023, 17, 1653；Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; ACS Nano 2022, 16, 17729; Energy Storage Mater. 2022, 52, 210；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434; Adv. Sci. 2022, 2202244; Nano Lett. 2022, 22, 8008; Nano Lett. 2021, 21, 3245；Energy. Environ. Mater. 2022, 5, 731），提出降低脱溶能垒是提高Zn2+在低温下的转移和输运动力学的必要条件。
针对低温巨大的脱溶剂化能垒和缓慢的界面扩散动力学等问题，中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究员联合德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士与Stefano Passerini院士采用电子离域催化促进Zn(H2O)62+快速脱溶和Zn2+可逆扩散的策略，设计分层多孔碳为载体的氧缺陷V2O5正极（ODVO@HPC），通过理论模拟、电化学分析、原位光谱和电化学表征，深入阐述了本征离域电子催化促进Zn(H2O)62+解离及Zn2+在电解质/阴极界面扩散，形成可逆界面的重要催化作用。
与商业V2O5相比，ODVO@HPC的电子离域效应可以迅速将Zn(H2O)x2+解离生成自由的Zn2+，较小尺寸的Zn2+可以顺利通过间相扩散到ODVO内部而不会破坏正极结构。并且由于高的界面催化活性，Zn2+在ODVO@HPC电极上的扩散十分均匀，形成连续稳健的正极电解质界面（CEI）层。扫描电镜（SEM）显示ODVO@HPC具有分级孔结构的交联形貌，拉曼、X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）表明了氧空位的成功引入。得益于电子离域效应产生的活性位点催化去溶剂化和扩散动力学提升，ODVO@HPC正极展现了创纪录的低温长循环稳定性和优异的倍率性能，在1 A g-1能提供421 Wh kg-1的高能量密度和45 kW kg-1的超高功率密度，远优于目前报道的低温钒基正极的电化学性能。循环伏安法（CV）进一步表明离域电子对促进Zn(H2O)x2+脱溶和改善Zn2+离子传输动力学的本征催化作用。密度泛函理论（DFT）表明了氧缺陷能够促进电子重排，且计算了Zn2+在VO和ODVO上的结合能和扩散势垒，结果显示ODVO对Zn2+具有高的结合能力以及低的扩散势垒，也进一步证明了ODVO的本征催化作用（图1）。
采用原位界面和频光谱（SFG），监测电催化Zn(H2O)62+解离，揭示了电子离域能加速Zn(H2O)62+去溶剂化。溅射XPS和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）表明循环过程中正极表面形成了可逆的CEI层，且ODVO电极具有优异的锌离子存储能力和脱嵌反应的可逆性（图2）。
所组装的高负载扣式电池在-20 oC的低温下具有优异的长循环稳定性和容量保持率。制造的大型软包电池可以在-20 oC下串联为由一系列LED灯组成的圣诞树供电。此外，具有氧缺陷的商业MnO2电极（ODMO@C）也表现出良好的倍率性能和稳定的循环寿命，展示了利用缺陷工程在低温环境下快速脱溶和离子扩散的广阔前景（图3）。
以上研究成果以Fast Interfacial Electrocatalytic Desolvation Enabling Low-Temperature and Long-Cycle-Life Aqueous Zn Batteries为题，发表在InfoMat期刊中（请点击“阅读原文”查看论文），以上联合工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金、德国Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）等基金项目支持，得到了中国科学院苏州纳米所Nano-X的表征技术支持。
