郭再萍院士团队，10天连发2篇Nature大子刊！

摘要：在全球能源转型的背景下，电网储能和电动交通对安全、可持续、低成本的电池需求日益迫切。虽然锂离子电池目前占据主导，但其原料稀缺、供应链集中、环境负担大，这些都促使科研界寻找更绿色的替代方案。水系锌电池（AZBs）因锌资源丰富、价格低廉、安全性高，被认为是最有潜力

解耦双盐电解液，让锌电池在-40°C稳定运行3000圈

在全球能源转型的背景下，电网储能和电动交通对安全、可持续、低成本的电池需求日益迫切。虽然锂离子电池目前占据主导，但其原料稀缺、供应链集中、环境负担大，这些都促使科研界寻找更绿色的替代方案。水系锌电池（AZBs）因锌资源丰富、价格低廉、安全性高，被认为是最有潜力的下一代电池体系。然而，它们的商业化长期受困于循环寿命短、低温性能差等瓶颈——特别是在极端气候下，电解液结冰和副反应频发，让电池稳定性大打折扣。

今日，阿德莱德大学郭再萍院士、张仕林研究员提出了一种“解耦双盐电解液”（DDSE），通过在同一电解液体系中引入两类不同亲水性的阴离子——强水合的硫酸根（SO₄²⁻）与弱水合的高氯酸根（ClO₄⁻），实现界面和体相行为的分离调控。在不依赖高盐浓度或有机溶剂的情况下，该电解液在-40°C仍具备15.1 mS cm⁻¹的高离子电导率，锌沉积/剥离效率高达99.97%。基于该体系组装的锌//钒酸钠（NaV₃O₈）袋式电池，能够在-40°C稳定循环3000圈，在25°C下循环900圈仍保持93%容量。这一成果为水系锌电池的大规模应用奠定了重要基础。相关成果以“Decoupled dual-salt electrolyte for practical aqueous zinc batteries”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作者为Guanjie Li。

值得注意的是，这是本月郭再萍院士团队继9月9日发表《Nature Reviews Clean Technology》后的又一大作！

从“二选一”到“双全其美”：解耦思路的提出

传统电解液存在一个两难：如果选择强水合阴离子（如SO₄²⁻），虽然可以稳定界面、抑制副反应如析氢反应（HER），但却会加强水分子氢键网络，使电解液容易结冰（冰点高于-20°C）；如果选择弱水合阴离子（如ClO₄⁻），则能打乱氢键网络，降低冰点至-40°C以下，却无法稳定界面，导致效率低、腐蚀严重（图1a，图1b）。研究团队通过密度泛函理论计算发现，SO42-与Zn表面吸附能（-6.32 eV）远强于ClO₄⁻（-3.53 eV）（图1c）。因此，当两者共存时，SO₄²⁻会优先占据界面区域，稳定界面水分子并抑制HER；而ClO₄⁻则留在体相，打乱氢键网络，赋予电解液抗冻能力（图1b底图）。循环伏安和电势图进一步证明，这种“空间分工”使得Zn²⁺/Zn⁰的电化学窗口被有效拓展，锌沉积/剥离可逆性显著提升（图1d，图1e）。

图1 ：双盐解耦电解液的设计原理

低温下依旧“活力满满”：电解液的物理表现

那么这种“解耦双盐电解液”在真实环境中表现如何？研究团队通过红外光谱（FTIR）、核磁（NMR）、小角X射线散射（SAXS）等手段分析了水分子的氢键状态。结果表明，当电解液中Zn(ClO₄)₂比例达到80%时，水分子的多聚氢键（MW）比例显著升高，氢键网络被削弱，电解液不再结冰（图2a–d）。在-40°C下，该电解液依旧保持液态（图2d），离子电导率达到15.3 mS cm⁻¹，比单盐体系高出数倍（图2e）。电化学测试显示，即使在高电流密度下，沉积/剥离过电位仅0.29 V，表现出优异的低温动力学特性。与此同时，Zn//Cu 电池的库仑效率可稳定在99.8%，腐蚀电流和腐蚀速率也明显低于单盐体系（图2f–h）。这意味着电池在极寒环境中也能稳定高效运行。

图2：电解液的物理与电化学性能

界面“护盾”：SO₄²⁻的主导作用

要真正理解其机理，还需要看界面。研究团队利用原位红外增强光谱（ATR-SEIRAS）和X射线光电子能谱（XPS）发现，在双盐体系中，Zn表面只检测到SO₄²⁻的特征峰，而没有Cl信号（图3a）。这表明SO₄²⁻成为界面唯一的“守门员”，以双齿配位的方式牢牢结合在Zn表面，构建稳定保护层。进一步的电双层电容（CEDL）、Zeta电位和石英晶体微天平测试也印证了这一点（图3c）。此外，界面水的O–H振动由弱氢键环境（~3590 cm⁻¹，MW）显著红移至更强的中间氢键环境（~3447 cm⁻¹，IW）（图3b），说明水分子被重新组织，更不易发生析氢。更重要的是，由ClO₄⁻主导的体相溶剂化结构使Zn²⁺/Zn⁰的标准电位（Ezn）上移至-0.541 V（图3d），降低了析氢驱动力。综上，SO₄²⁻与ClO₄⁻的“分工合作”，一方稳界面、一方调体相，双管齐下抑制副反应（图3e–h）。

图3：界面稳定性的提升

钒酸钠正极：循环寿命翻倍

正极方面，团队选择了具有高比容量的NaV₃O₈材料。然而在普通电解液中，这种材料容易溶解或生成副产物，导致容量快速衰减。结果显示，在ZnSO₄或Zn(ClO₄)₂单盐体系下，NaV₃O₈仅能保持45–52%的容量，而在双盐电解液中，循环400圈后容量保持率高达99%（图4a）。机理分析揭示了不同的副产物：在SO₄²⁻电解液中，溶出的V会沉积在Zn负极；在ClO₄⁻电解液中，易生成不可逆的Zn₃(OH)₂V₂O₇·2H₂O（ZVO）副产物，覆盖正极表面（图4c–d）。而在双盐电解液中，由于HER被显著抑制，pH保持稳定，副反应被避免。同步辐射X射线分析显示，双盐体系中生成的Zn₄SO₄(OH)₆·4H₂O副产物（ZHS）是可逆的，可在充放电过程中完全溶解（图4e–g）。这种机制让NaV₃O₈电极得以长寿命稳定运行（图4h）。

图4：NaV₃O₈正极的循环稳定性

实用袋电：-40°C 3000圈不掉容量

为了验证实用性，研究团队在电解液中额外引入0.2 wt% InCl₃，形成“锌亲和”合金层，进一步抑制锌枝晶生长。这一改进后的体系被命名为 ZSO:ZClO 2:8–InCl₃。在Zn//NaV₃O₈ 袋式电池中（N/P比1.6，面容量5.48 mAh cm⁻²），表现出优异的循环与倍率性能：25°C下，900圈循环后容量保持率93%（图5d）；自放电仅0.13%/天，30天后容量仍有96%（图5e）；在5C大倍率下仍可输出70%容量（图5f）；40°C下保持91%容量，-40°C下更是惊人地实现3000圈零衰减（图5g）。整体能量密度在25°C下可达160 Wh kg⁻¹，即便在-40°C仍有90 Wh kg⁻¹（图5h）。综合对比显示，该体系在循环寿命、温度适应性、安全性与成本等方面全面超越高浓度盐电解液（HCEs）和有机混合电解液（OAHEs）。

图5：实用袋式电池性能

展望：为极端气候能源储备开新局

这项工作提出了一条全新的电解液设计思路：通过“空间解耦”实现界面与体相的双重优化。SO₄²⁻像守护者一样稳固界面，抑制副反应；ClO₄⁻则像调节者一样打乱氢键网络，降低冰点并加快离子迁移。二者协同作用，让水系锌电池突破了长期困扰的低温瓶颈。相比依赖高盐或有机溶剂的方案，解耦双盐电解液不仅性能强大，更兼具安全、低成本与可持续优势。未来，它有望在极端气候下的电网储能、电动车乃至军事装备中发挥关键作用。正如作者所言，这一策略也为更广泛的电解液体系提供了普适的设计范式，推动新能源储能真正走向“全气候、全场景”应用。