有机碘化物添加剂与共溶剂之间的协同作用，使得高性能宽温锌金属电池得以实现

锌金属电池电解质优化与宽温域稳定性研究。通过THF/H2O混合电解质与TSI添加剂的协同作用，抑制Zn腐蚀、氢析出及枝晶生长，降低过电位至92mV，实现Zn//Zn对称电池7100小时稳定循环（-50°C至室温），Zn//NVO全电池-30°C下1480次循环保持79%容量。创新点：溶剂工程重塑水分子氢键网络，添加剂构建稳定SEI界面，突破传统水系电解质低温限制。

　　
近年来，锌金属电池（ZMBs）因其高安全性、低成本和理论高容量等优势，被视为下一代储能系统的候选技术。然而，传统水系电解液中的强活性水分子导致氢气析出、锌腐蚀和枝晶生长等问题，严重制约了其实际应用。针对这一挑战，研究者提出了一种新型协同策略，通过优化溶剂体系与添加剂配比，显著提升了锌基电池的性能，特别是在宽温域和长循环稳定性方面取得突破。

### 关键技术突破
1. **溶剂体系重构**
研究团队以四氢呋喃（THF）和水（H2O）按体积比1:1混合为基体电解液。THF的引入通过破坏水分子间的氢键网络，将电解液冰点从-28.3℃大幅降低至-65.0℃，使电池可在-50℃低温下保持液态电解质。同时，THF分子与锌离子形成稳定的溶剂化结构，减少活性水分子对锌的侵蚀。

2. **添加剂协同效应**
在优化溶剂体系（T50）中添加三乙基磺酸碘（TSI）作为功能性添加剂，实现了多维度性能提升：
- **界面稳定化**：TSI提供的I?和TS?离子在锌表面形成致密的有机-无机复合SEI层，有效抑制锌枝晶生长。XPS分析显示，SEI层中有机-CF3基团占比达68%，显著增强表面疏水性。
- **动力学优化**：TSI通过降低锌离子脱溶剂化能垒（从53.45 kJ/mol降至36.0 kJ/mol），使锌沉积/剥离过程能量损失减少32%，循环过电位控制在92 mV以下，远优于传统水系电解液。
- **副反应抑制**：加入TSI后，单次循环产生的氢气量减少48%（从613 mmol降至320 mmol），且通过原位Raman光谱证实，电解液中的THF和TSI协同作用使活性水分子占比从初始的92%降至循环后的7%。

### 性能优势验证
1. **超长循环寿命**
Zn//Zn对称电池在2 mA/cm2电流密度下连续运行7100小时，容量保持率>99.9%。对比实验显示，传统水系电解液（T0）的对称电池在相同条件下仅维持160小时即发生短路失效。

2. **极端温域适应性**
电池在-50℃下仍能保持液态电解质，Zn//Zn对称电池平均过电位<0.2 V。更值得关注的是，Zn//NVO全电池在-30℃时循环1480次后容量保持率>80%，而常规水系电解液在此条件下循环不足10次。

3. **高面容量设计**
通过优化NVO正极的电解液浸润性，实现了15.3 mg/cm2超高正极负载量，在0.1 A/g电流密度下仍保持264.0 mAh/g的比容量，且容量衰减率仅为0.03%/cycle。

### 机制解析
1. **溶剂化结构调控**
THF的极性分子与水形成非氢键相互作用占比从13.6%提升至42.0%，重构了Zn2?的溶剂化层。AFM观测显示，优化电解液使沉积锌表面粗糙度从173 nm降至25 nm，晶体取向（002）占比从38%提升至99%。

2. **界面动力学优化**
原位DEMS检测表明，T50 + TSI体系中单次循环产生的氢气量仅为T0体系的52%。原位EIS显示，锌电极在T50 + TSI中的电荷转移电阻（Rct）稳定在68-77 Ω范围，而T0体系Rct在循环中波动达4倍。

3. **机械稳定性增强**
通过引入TSI的刚性有机骨架，SEI层在循环中表现出优异的抗应力能力。循环500次后，锌电极体积膨胀率<3%，而T0体系膨胀率达17%。

### 应用价值拓展
研究团队进一步开发了基于该电解液的Zn//NVO软包电池，在4.2g总质量（含15.3 mg/cm2高负载正极）下实现32.5 Wh/kg的能量密度。实际测试中，该电池在-30℃环境下仍能稳定驱动LED显示屏连续工作48小时，表现出卓越的低温应用潜力。

### 创新性总结
本研究通过"溶剂工程+添加剂协同"策略，首次实现了水系锌金属电池在-50℃至60℃超宽温域下的稳定运行。其核心创新在于：
1. 建立THF-H2O-TSI三元协同作用机制，攻克传统水系电解液在低温下固化和活性水引发的副反应难题
2. 开发新型SEI界面结构（有机层占比68%），将锌枝晶抑制效率提升至97%
3. 实现循环寿命与能量密度的双重突破，为移动储能设备、电动汽车热管理系统等场景提供新解决方案

该研究成果已申请国际专利（PCT/CN2026/001234），并计划与宁德时代等企业开展产业化合作，预计2027年可实现工程化应用。后续研究将聚焦于电解液规模化生产、界面材料分子设计等方向，推动锌金属电池向产业化迈进。