锌电池「返老还童」：电子科大联手湖北大学破解枝晶难题，效率提升99.95%！

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随着电动汽车和便携设备的普及,开发高性能、低成本的储能系统变得愈发重要。于是，科学家们将目光转向了一种古老而新颖的材料——锌。这种地壳含量约为 70ppm 的金属，凭借成本仅为锂的 1/10、极高的安全性和环境友好性，成为下一代电池的「潜力股」。

然而，锌电池也有其「阿喀琉斯之踵」：充放电过程中，锌表面易形成枝晶，像树根一样生长，最终刺穿电池隔膜，导致短路甚至起火。更糟的是，锌会与水反应产生氢气，进一步降低效率。

来自电子科技大学、南洋理工大学和湖北大学的研究团队，提出了一种创新的电解质设计——混合双盐电解质（HDE），有望解决这些关键难题。

该研究以「Electrolyte design for reversible zinc metal chemistry」为题，于 2025 年 1 月 2 日发布在《Nature Communications》。

研究背景

锌金属阳极在充放电过程中的界面稳定性问题制约了其实际应用。特别是在低电流密度下,腐蚀和析氢反应(HER)会导致库仑效率(CE)显著降低。

为解决这些问题,研究团队开发了混合双盐电解质(HDE)。通过选择合适的盐对组合和有机共溶剂,优化了锌离子的溶剂化结构,显著改善了阳极-电解质界面性质,实现了均匀的锌沉积并有效抑制了副反应。

技术创新

锌金属阳极的可逆性挑战主要源于三个关键因素：死锌（Qdead）、腐蚀（Qcor）和析氢反应（QHER）。这些不可逆过程不仅相互关联，还与锌的沉积形态和阳极-电解质界面的性质密切相关。解决这一复杂问题需要从两个层面入手：实现均匀的锌沉积，以及构建相对「惰性」的阳极-电解质界面。

为此，研究团队通过理论计算和分子动力学模拟，研究了电解质组分对界面结构的影响机制。筛选结果确定了三乙基磷酸酯（TEP）和二甲基甲酰胺（DMF）作为最优共溶剂组合。

这两种共溶剂能够有效降低界面水的活性，从而抑制腐蚀和析氢反应。同时，团队创新性地提出双盐策略，将高供体数的乙酸根离子（OAc-）与高溶解度的三氟甲磺酸根离子（OTf-）组合使用。这种组合促进了接触离子对（CIP）的形成，有利于实现均匀的锌离子沉积。

通过这种多层次的设计策略，研究成功将锌金属阳极的库仑效率提升至 99.95% 的高水平。

图 1：混合双盐电解质的设计原理与实现。（来源：论文）

实验验证

本研究评估了三种电解质系统对锌金属阳极性能的影响：单盐(4 m ZnOTf2)、双盐(4 m ZnOTf2 + 1 m ZnOAc2)和混合双盐(2.8 m ZnOTf2 + 0.7 m ZnOAc2 + 30 wt% DMF)电解质。

通过锌沉积/剥离测试、对称电池循环和全电池性能评估，混合双盐电解质在 1 mA cm⁻² 条件下实现 99.95% 的库仑效率，显著高于单盐（99.3%）和双盐（99.8%）。对称电池可稳定运行超过 2000 小时，而单盐体系迅速短路。全电池测试中，Zn|ZnI₂ 电池 3000 次循环后容量保持率达 97%，阳极自由 Cu|ZnI₂ 电池也实现 1000次 以上稳定循环。

FTIR 和 Raman 表征表明 DMF 降低了界面水活性，双盐促进了接触离子对形成；XPS 和 TEM 分析证实形成了厚度为 50-100 nm 的富含 ZnF₂ 的固体电解质界面，有效抑制副反应并提升了锌金属阳极的可逆性。

图 2：不同电解质体系的电化学性能对比。（来源：论文）

结语

本研究开发的混合双盐电解质（HDE）显著提升了锌金属阳极的库仑效率和循环稳定性。通过整合双盐策略和有机共溶剂设计，成功抑制了枝晶生长和副反应问题，为水系金属电池的发展提供了新思路。

这种「鸡尾酒」策略不仅推动了锌金属电池技术的发展，还可能为解决其他金属基电池（如锰基、铝基电池）面临的类似挑战提供借鉴。通过合理利用不同盐类和溶剂的特性，这一策略为设计混合电解质体系开辟了新途径，为开发高性能水系金属电池奠定了基础。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55657-1