大规模可再生能源的可持续发展迫切需要高效、温度适应性强的储能技术。水系锌离子电池(ZIBs)以其高安全性、低成本和环境友好的特点成为大规模储能的主要候选者。然而，在零下温度下，水系电解液易冻结，导致离子传导率急剧下降、界面动力学缓慢。目前，杂化电解液可以有效提高ZIBs的温度适应性，并且其纳米结构对其低温性能起着关键作用。然而，杂化电解液的纳米结构一直被忽视，分子尺度的溶剂化壳与宏观性能之间也存在知识空白。因此，中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟院士/窦浩桢副研究员团队，开发了水相和有机相相互贯穿的双连续相电解液(BPE)，该电解液拥有独特的有机溶剂丰富的溶剂化壳以及含有阴离子的溶剂化壳，实现了快速的Zn2+离子迁移以及快速的脱溶剂动力学。该电解液不仅在-60°C的超低温下展现出超过4700小时的循环稳定性，室温下循环寿命更是达到了13000小时。此外，由其组装的全电池在-60°C下超过1100个循环，容量保持率为100%，并且在高载(14
mg cm⁻²)、贫电解液(E/C= 8.7 mL mA⁻¹
h⁻¹)和有限Zn供应(N/P=
2.55)下稳定运行超过2000循环。这项研究深入理解了杂化电解液的纳米结构，为设计高性能、低温电池的电解液提供了新的视角。
相关研究成果以“Bicontinuous-phase
electrolyte for highly reversible Zn metal anode working at ultralow
temperature”为题，发表在国际知名期刊Energy &
Environmental Science上。论文第一作者为徐咪博士和张贝诺硕士，通讯作者为大连化学物理研究所陈忠伟院士和窦浩桢副研究员。
⭐首次开发双连续相电解液(BPE)，系统研究分子间作用力-纳米结构-电池宏观性能的构效关系；⭐双连续相电解液内部具有平衡良好的富含有机溶剂的溶剂化壳和阴离子参与的溶剂化壳；⭐独特的溶剂化壳诱导形成由有机含量丰富的外层和无机含量丰富的内层组成的原位固态电解质界面；⭐双连续相电解液赋予电池优异的抗冻性能以及高可逆的锌负极。(a-c)HD21、HD11、HD12电解液中DMSO(左)以及H2O(右)的等值面图；(d-e)电解液的1D/2D-WAXS结果；(f)锌离子迁移数；(g)活化能；(h)-60 oC下Zn//Zn电池性能。▲电解液的等值线图显示在HD11电解液内部存在各自独立的连续水相以及有机相，形成双连续相的海绵状纳米结构。WAXS结果显示出更窄的衍射带以及增大的强度，说明双连续相纳米结构具有均匀分布的配位团簇。HD11电解液具有最高的锌离子迁移数以及快速的脱溶剂化动力学，在-60 ℃的超低温下具有1400小时的超长循环稳定性，优于大多数低温ZIBs。(a)BPE组分间的静电势分布以及结合能；(b)BPE的变温1H NMR结果；(c)溶剂化结构：标样(左)，BPE(中、右)；(d)电解液EXAFS图谱；(e)标样电解液以及(f)BPE电解液的分子动力学模拟及径向分布函数；(g)标样电解液以及(h)BPE电解液的溶剂化结构统计。▲有机溶剂和阴离子能有效破坏水分子之间的氢键，并与水产生更强的氢键，能有效抑制HER。有机溶剂与Zn2+有很强的作用，说明其能够有效调控锌离子溶剂化壳。EXAFS光谱显示在BPE内部溶剂化结构更为疏松。通过对MD结果进一步统计发现，在BPE内部存在两种主要的溶剂化结构，一种是富含有机溶剂的溶剂化壳，一种是含有阴离子的溶剂化结构。(a)TOF-SIMS表征及元素分布；(b)BPE锌负极不同刻蚀时间的XPS；(c)固态电解质界面示意；(d)固态电解质界面TEM表征。▲BPE锌负极表面的元素分布显示在锌负极表面形成了超薄、稳定的固态电解质界面(SEI)，并且其呈现出马赛克结构。由于BPE内存在大量的富含有机溶剂的溶剂化结构，有机试剂参与了SEI的生成，从而使SEI展现出有机含量丰富的外层以及无机含量丰富的内层。(a)室温时间-电压曲线；(b)倍率性能；(c)高DOD性能；(d)库伦效率；(e)-40oC性能；(f)性能对比。▲采用BPE组装电池进行性能测试，对称电池在0.5 mA/cm2、0.5 mAh/cm2的条件下，稳定循环超过13000h，是目前最高记录。此外，也展现出优异的倍率性能和搞得DOD性能。在1 mA/cm2、1 mAh/cm2的条件下循环600圈后，还能保持99.85%的库伦效率。-40 oC以及-20 oC下分别能够稳定循环2300小时和4500小时。超长的循环寿命说明由于BPE电解液的双连续相纳米结构，赋予了锌负极优异的可逆性。图5. 锌负极电沉积形貌研究
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(a)SEM表征；(b)FIB表征；(c)原位光学显微镜观测锌沉积；(d)锌负极界面结构示意；(e)激光共聚焦扫描显微图像；(f)2D-XRD图像。▲锌负极形貌研究表明，在BPE电解液中能够保持致密、均匀的沉积，并且展现出明显的002增强取向。而标样体系，由于没有SEI的生成，锌负极遭遇严重的腐蚀以及枝晶生长，沉积层疏松、多孔。(a)小电流比容量曲线；(b)倍率性能；(c)不同电流条件下比容量；(d)大电流稳定性测试；(e)贫电解液、高载电池性能；(f)-60 oC电池性能；(g)软包性能；(h)软包展示。▲全电池小电流下展现出较高的比容量，大电流下也具有良好的稳定性，并且具有优异的倍率性能。在高质量负载(14 mg/cm2)、贫电解质条件(E/C比=8.7
μL/mAh)和有限Zn供应(N/P比=2.55)下，Zn/V2O5电池在-60℃下循环1100次以上和2000次以上的电池容量保持率均达到100%。此外，由BPE组装的软包电池，在室温以及-20 oC下循环200圈后，仍然具有83
mAh(占初始容量的71.9%)和57 mAh(占初始容量的78.8%)的高比容量，为BPE的实际应用提供了更多可能。本工作通过对电解液纳米结构的系统研究和对水/有机溶剂体积比的精细分割，开发了具有连续水相和连续有机溶剂相的超低温水系电解液。由于双连续相的纳米结构，BPE具有0.68的最佳锌离子迁移数和快速的脱溶动力学，并且由于氢键网络重建，BPE具有-100℃以下的低凝固点和扩大的电压窗口。更重要的是，BPE具有平衡良好的富有机溶剂的溶剂化壳和阴离子参与的溶剂化壳，并形成了均匀的原位固体电解质界面，实现了室温和低温下高度可逆的锌负极。结果表明，电池在25℃下可稳定工作13000小时，在-60℃下可稳定工作1400小时。采用BPE组装的Zn||V2O5全电池在限定Zn金属阳极(N/P
= 2.55:1)、高质量负载(14 mg/cm2)和贫电解液(8.7 μL/mAh)下，循环次数超过2000次，容量保持率高达84%；在-60℃的超低温下，循环次数达到1100次，容量保持率达到100%。对电解质纳米结构的深入了解，为电解质微观分子间作用力与宏观电池性能之间的联系架起了桥梁，为设计先进的低温电池纳米结构电解质提供了新的视角。
Xu M, Zhang B, Sang Y, et al.
Bicontinuous-phase electrolyte for a highly reversible Zn metal anode working
at ultralow temperature[J]. Energy & Environmental Science, 2024.
DOI:
10.1039/D4EE02815E
https://doi.org/10.1039/D4EE02815E
陈忠伟，加拿大皇家科学院院士、工程院院士。目前担任中国科学院大连化学物理研究所研究员，能源催化转化全国重点实验室主任、动力电池与系统研究部(DNL29)部长、加拿大皇家科学院委员会委员、国际电化学能源科学院(IAOEES)副主席，中国化学会旗舰期刊Renewables主编，Royal Society of Chemistry -Energy
Environ. Book Series主编。陈忠伟院士2018-2023年连续六年被科睿唯安评为“全球高被引学者”，荣获：国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、全世界TOP100,000科学家、全球能源科学与工程领域高被引学者、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家(Tier I)、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、2018年卢瑟福纪念奖章、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等多个国际奖项。以第一作者和通讯作者身份，在Nature Energy、Nature Nanotechnology、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Journal of the American Chemical
Society、Angewandte Chemie
International Edition、Nature Communications、Joule、Matter、Chem、Advanced
Materials、Energy &
Environmental Science等国际重要学术刊物上发表论文500余篇，被引64000余次，H因子达128，另外，编著3部，申请/授权美国、中国和国际专利100余项，多项成果实现产业化转化和应用。
窦浩桢，中国科学院大连化学物理研究所副研究员。2020年获得天津大学博士学位，2020-2023年在滑铁卢大学陈忠伟院士课题组从事博士后研究工作。主要致力于下一代高比能锂离子电池、锌-空气电池和水系锌离子电池电解质和隔膜的研究，包括宽温域电解液、固态电解质膜、隔膜的结构设计和规模化制备。在高水平期刊发表论文80余篇，以一作和通讯发表论文20篇，包括Chem.
Soc. Rev.(1篇)、Adv. Mater.(2篇)、Angew.
Chem. Int. Ed(6篇)、Energy Environ. Sci. (1篇)、Adv.
Energy Mater.(1篇)、ACS Catal.(1篇)、Adv.
Funct. Mater.(3篇)、J. Membr. Sci.(4篇)，论文引用4000余次，H 因子为36，申请多项发明专利。主持中国科学院战略性先导专项B类项目子课题、榆林中科洁净能源创新研究院能源革命科技专项(联合基金类)、国家自然科学基金青年项目。
课题组网站：http://battery.dicp.ac.cn
近年来，陈忠伟团队一直致力于功能化电解液的设计与开发，研制出位阻电解液(Angewandte Chemie International
Edition, 2024, 136(21): e202401974.)、三元共晶电解液(Advanced
Functional Materials, 2024: 2402186.)探究溶剂化结构的定向重构；此外，开发自修复界面设计策略(Angewandte Chemie International
Edition, 2024, 63(42): e202410422.)、纳米级双层界面设计策略(Angewandte Chemie International
Edition, 2024: e202407909.)、仿生自识别界面设计策略(Advanced Energy Materials, 2401737.)调控固态电解质界面组分和结构，获得长循环寿命和高放电深度锌负极。在锌空气电池方面，一直致力于高安全固态电解质的设计与开发，研制出动态双网络仿生固态电解质(Advanced Materials, 2022, 34(18):
2110585.)、具有钢筋混凝土结构的纳米结构电解质(Angewandte Chemie International
Edition, 2022, 134(23): e202117703.)、具有丰富水通道和离子通道的生物质电解质(Advanced
Materials, 2024: 2401858.)以及具有多层级离子传输通道的单阴离子传导固态电解质膜(Angewandte Chemie International
Edition,
e202407380.)等，实现了离子传导率和机械性能的协同提升，电池性能实现突破。水系储能 Aqueous Energy Storage 声明![]()
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