电解液是电池化学中一个基本且不可或缺的组成部分。虽然它们可能不会直接影响电池的能量密度，但电解液及其相关界面对正负极的稳定性、循环寿命和功率密度有着重要影响。许多最先进的电解液设计，不仅包括功能添加剂、高浓度电解液、准固体或固体电解液等传统策略，还包括悬浮电解液、共晶电解液、纳米固体电解液和胶体电解液等新兴创新策略，以修改离子溶剂化结构并提高电池的可逆性。其中，新提出的胶体电解液作为一类有前景的电解液脱颖而出。特别是，由于胶体在水相和“非水”相中的兼容性，许多胶体电解液已在锂金属/离子电池和水系电池领域得到报道。然而，需要注意的是，胶体是一个复杂且动态的多相混合物，由分散介质、胶体颗粒和胶体颗粒周围的双电层组成。鉴于液体的流动性和胶体系统的复杂组成，它们展现出复杂且变化的宏观物理性质，不符合固体、液体或气体的标准概念。特别是对于胶体电解液，溶解的含盐水分赋予了其不可预测的性质。不幸的是，目前还没有注意到在低浓度盐条件下研究胶体化学和胶体行为。在电池循环过程中，诸如电场效应及其不断变化的方向、界面处离子浓度的变化以及电解液的体积相等因素，都会显著影响胶体颗粒的稳定状态和运动行为。这一特定于胶体电解液的方面尚未得到充分研究。锌金属电池（ZMBs）因其高安全性、材料丰富性和Zn的固有优势（低氧化还原电位和高理论容量）而成为大规模能量存储的有前景的候选者。然而，由于水系电解液中活性水的影响，诸如枝晶生长、析氢反应、副反应和正极溶解等一系列问题严重阻碍了ZMBs的进一步发展。与水系电解液相比，“非水”电解液不含水，有效地避免了水分解和水相关副产物的生成。这些“非水”对应物展示了宽的电化学稳定性窗口和对Zn阳极的卓越热力学稳定性，从而提高了Zn沉积/剥离的可逆性，并提高了库仑效率。此外，胶体颗粒与“非水”电解液系统兼容，大多数“非水”溶剂表现出极低的冰点。这些优势为胶体电解液在非标准条件下的实际应用，如冷环境，以及在工业化方面，主要由于与电解液相关的固有属性和成本考虑，提供了显著的潜力。
近日，南通大学钱涛、周金秋团队提出了一种“非水”胶体电解液，具有超低盐浓度和固有低冰点，以研究其在低温锌金属电池稳定化的基本机制。这种电解液能够在电池循环过程中通过浓差极化现象在电极/电解液界面处形成富含胶体颗粒的机械刚性界面层，这一界面层能够有效抑制电极两侧的副反应，防止锌金属阳极的枝晶生长，并抑制正极材料的溶解，从而维持电池结构的稳定性。此外，团队还通过实验验证了这种电解液在超低温环境下的电化学性能，发现其能够在-80℃的温度下保持稳定的容量和较高的库仑效率，显著提升了锌电池在极端温度条件下的应用潜力。
该成果以 "Concentration polarization induced phase rigidification in ultralow salt colloid chemistry to stabilize cryogenic Zn batteries" 为题发表在《Nature Communications》期刊，第一作者是Hao Baojing、Zhou Jinqiu。
图1：通过浓差极化诱导的相界面层形成机制。a. 浓差极化诱导的相界面层形成的示意图。b. 拉曼图谱和c SAXS峰代表不同盐浓度下Zn2+的溶剂化构型和胶体颗粒的聚集程度。d. 在Zn耗尽期间电极/电解液界面的原位拉曼图谱。e. EQCM的CP测试中的频率变化和f相应的质量变化。
图2：ULCE对低温的物理化学和电化学适应性验证。a. 不同溶液和电解液的FTIR图谱。b. 超低温环境下三种电解液的光学照片。c. ULAE和ULCE从-90到45℃的DSC测试。d. ULAE和ULCE在-80到20℃温度范围内的离子电导率。e. ULAE和ULCE中Zn2+去溶剂化过程的Arrhenius曲线和活化能（Ea）的比较。f. ULLE和ULCE中Zn2+的迁移数。g. 从20℃到-40℃ ULAE的原位冷却拉曼图谱和I从20℃到-80℃ ULCE的原位冷却拉曼图谱。h. 从20℃降温到-80℃过程中ULAE和j ULCE的拉曼映射。
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