动态溶剂化屏蔽电解质实现超宽温度范围的锌金属电池

《Energy Storage Materials》：Dynamic Solvation Shielding Electrolyte Enables Ultra-wide Temperature Zn Metal Batteries

锌金属电池宽温域动态溶剂屏蔽电解质设计及性能研究。该电解质基于NHD单体开发，实现-25至150°C超宽工作温度范围，抑制枝晶生长并保持高Zn2+迁移数0.88，显著提升电池循环寿命与安全性。

　　

黄世峰|霍耀东|刘子涵|李梦静|马桃桃|韩晨辉|高玉良

内蒙古大学化学与化学工程学院，中国呼和浩特 010021

摘要

锌金属电池在可持续性和高安全性储能方面展现出巨大潜力，但受到传统电解质狭窄工作温度范围的限制。本文提出了一种动态溶剂化屏蔽电解质（DSSE），使得锌金属电池能够在175°C（-25 ～ 150°C）的超宽温度范围内正常运行。DSSE具有不可燃性、优异的热稳定性、抗冻性以及较高的Zn²⁺迁移数（0.88）。由于独特的动态溶剂化作用以及吸附在阳极表面的溶剂分子所形成的屏蔽效应，DSSE能够有效调控锌电极的沉积过程，同时温度适应性强的固体电解质界面也进一步提升了锌金属阳极的温度适应性。因此，锌锌电池在-25°C下可连续运行2195小时，在25°C下运行9000小时，在80°C下运行5550小时，在150°C下运行485小时。聚苯胺（PanI）/锌软包电池在各种温度下都能稳定工作，在-25°C下可完成150次循环，在80°C下可完成90次循环。重要的是，这些电池还表现出出色的耐热性和耐机械损伤能力，具有广泛的应用前景。本研究丰富了功能性电解质的设计原理，并扩展了锌金属电池的应用场景。

引言

可再生能源的大规模部署和电气化的加速发展对储能系统提出了严格的气温要求。水基锌金属电池因其固有的安全性、经济性和环保性而受到广泛关注。[1-2] 然而，它们的实际应用面临一个根本性挑战：狭窄的工作温度范围（图1a）。特别是在零下温度（低于0°C）时，普通的水基电解质容易冻结，导致离子传输速率降低，进而引发枝晶生长和电池失效。[3-4] 在较高温度（高于25°C）下，虽然热激活理论上可以增强电极反应速率和离子传输，但同时会加剧有害的副反应（氢气释放和锌阳极腐蚀）以及枝晶生长，从而降低电池性能。[5-6]

开发宽温度范围的电解质对于克服这些挑战至关重要。高浓度电解质通过降低H₂O的活性并形成独特的溶剂化结构，从而提高锌金属电池在极端温度条件下的稳定性。[7, 8] 然而，它们的高粘度会降低低温下的充放电速率，或者对集流体产生腐蚀作用，从而带来显著障碍。[9, 10] 有机/水基混合电解质通过使用低冰点/高沸点的有机溶剂（如碳酸丙烯酯、乙二醇、二乙二醇二甲醚[11, 12, 13]）来扩展温度范围，但有机成分会削弱水基系统的固有安全性、环保性和成本优势。[14] 共晶电解质在高温下表现优异，但在低温下的性能较差；而强极性溶剂（酰胺、咪唑、腈类、砜类等）在实际应用中会腐蚀锌金属阳极，限制了其应用范围。[15, 16] 随着极地地区、深空和深海等极端环境的发展，对能够承受极端温度的电解质的需求持续增长。不幸的是，由于水基液态系统的固有限制，目前很少有电解质能够在深低温（低于-20°C）和超高温（高于100°C）下同时运行。[17] 因此，突破传统电解质的局限并开发适用于超宽温度范围的新型电解质架构变得十分迫切。

本文基于液态聚乙二醇二甲醚（NHD）寡聚体制备了一种新型动态溶剂化屏蔽电解质（DSSE），首次实现了锌金属电池在175°C（-25 ～ 150°C）的超宽温度范围内的稳定运行（图1b）。DSSE具有不可燃性、优异的热稳定性、抗冻性以及较高的Zn²⁺迁移数（0.88）。与传统电解质不同，DSSE具有独特的动态溶剂化和界面屏蔽效应，这些特性源于吸附在阳极表面的溶剂分子，这也是其名称的由来。这些特点使DSSE在宽温度范围内具有优异的枝晶抑制能力，结合温度适应性强的固体电解质界面（SEI），最终提升了锌金属阳极的温度适应性。因此，锌锌电池在-25°C下可连续运行2195小时，在25°C下运行9000小时，在80°C下运行5550小时，在150°C下运行485小时。聚苯胺（PanI）/锌软包电池在-25°C下可完成150次循环，在80°C下可完成90次循环，同时表现出显著的耐热冲击和耐机械损伤能力，显示出巨大的实际应用潜力。这项工作为开发高性能、固有安全的储能设备奠定了坚实的技术和理论基础，使其能够在极端环境下运行。

数据可用性

数据可应要求提供。

作者贡献声明

黄世峰：方法研究、数据分析、数据整理。霍耀东：软件开发、数据分析、数据整理。刘子涵：数据分析、数据整理。李梦静：数据分析、数据整理。马桃桃：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。韩晨辉：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。高玉良：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、研究工作、资金协调。