东北大学理学院化学系科研团队在水系锌电池领域取得重要突破

近日，理学院化学系宋禹副教授、刘晓霞教授、孙筱琪教授团队在水系锌离子电池研究领域取得重要进展，首次揭示亚低温区域电池稳定性提升机制，借助电解质的溶剂化重构，抑制H⁺嵌入反应，实现电极材料的电荷存储机制转变。研究成果“Cold-Optimized Zinc-Ion Batteries: Enhanced Stability at -5 °C”在线发表于化学学科顶刊Angewandte Chemie-International Edition。

水系锌离子电池（AZIBs）凭借其高安全性、环境友好性和低成本等优势，在大规模储能领域展现出巨大潜力。传统研究主要聚焦于室温及超低温（如-90至-20 ℃）条件下的性能优化，通过电解质工程（如调节氢键网络）抑制电解液冻结以维持离子传导性。然而，介于室温与超低温之间的中间温度范围（如-10至0 ℃）长期被忽视，而该区间实际对应冬季户外、深海环境（-2至5 ℃）等关键场景的需求。研究表明，H⁺相关的副反应（包括阴极材料的不可逆相变和溶解、阳极析氢及副产物生成）是锌离子电池容量衰减的主因，而H⁺通过Grotthuss机制沿氢键网络扩散的特性可能受温度调控。具体而言，亚低温环境下氢键强度的增强可能会降低H⁺的迁移活性，从而有效抑制有害H⁺副反应。此外，亚低温下未冻结的电解液仍具备离子传导能力，为电池性能的维持提供了可能性。然而，对于温度降低如何影响Zn²⁺溶剂化结构、H₂O电化学活性以及电荷存储机制的变化，目前尚缺乏系统研究。

团队针对这一空白，提出了一种新的“冷”优化策略，显著增强水系锌离子电池的循环寿命。以3 M ZnSO₄为基础电解液，探究AZIBs在亚低温下的电荷存储机制及电池性能。结合光谱分析与分子动力学模拟，揭示低温下电解液结构演变，即SO₄^2-取代Zn²⁺溶剂化层中H₂O、氢键网络增强和氢键总数的减少。本研究为拓展AZIBs在近冰点环境的应用提供理论依据与技术支撑，强调该温度区间对电池研究的重要性及适用性。该策略还可应用于其他对质子敏感的材料（如VOPO₄和MnO₂），成为一种广泛适用的电池性能提升方法。

图注：不同温度下电池电荷存储机制研究

东北大学理学院为该成果的第一完成单位，理学院博士研究生蒙建铭为论文第一作者。学校分析测试中心及理学院化学实验中心为论文的光谱学原位表征提供了重要数据支持。