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为解决水溶液电解质中离子迁移数（tMn+）、离子电导率（δ）与溶剂化过程的传统权衡难题，研究人员将硫酸胍（Gdm2SO4）引入金属硫酸盐溶液构建离子水聚集体电解质。结果显示其实现接近单位tMn+、δ 超50mScm?1，显著提升电池性能，为高性能水系金属电池开发提供新策略。
论文解读
在电池领域，金属离子在溶液中的传输与其与反离子、溶剂分子的相互作用紧密相关，这导致离子迁移数（tMn+）、离子电导率（δ）和溶剂化过程之间长期存在权衡难题。对于配备金属负极的先进水性电池而言，迫切需要具备单位tMn+、高 δ 和低溶剂化能的电解质。然而，传统电解质难以同时满足这些要求，例如稀溶液中阳离子水合作用会降低tMn+，高浓度 “盐包水” 电解质虽能提升载流子浓度，但接触离子对会影响tMn+、δ 和去溶剂化动力学，开发新型电解质体系成为突破瓶颈的关键。
湖南大学的研究人员针对这一挑战，开展了将硫酸胍（Gdm2SO4）引入金属硫酸盐（M=Zn、Cu、Fe、Sn、Li）水溶液，构建离子水聚集体电解质的研究。该研究成果发表在《Nature Communications》，为解决水性电池电解质的核心问题提供了新方向。
研究中用到的主要关键技术方法包括：通过拉曼光谱（Raman）、核磁共振（NMR）、X 射线吸收近边结构（XANES）和 X 射线吸收精细结构（EXAFS）等光谱技术，分析电解质的离子聚集结构和溶剂化环境；利用分子动力学（MD）模拟验证离子聚集和水氢键网络的演化；通过电化学测试，如计时电位法、计时电流法、循环伏安法等，评估电解质的离子迁移数、电导率、金属电镀 / 剥离性能及电池循环稳定性。
研究结果
离子水聚集体结构
硫酸胍中的胍基具有共轭 π 轨道，与硫酸根通过强氢键形成动态离子水聚集体，这种结构通过拉曼光谱中v?SO42?带的低频移动、1H NMR 谱中胍基特征峰的低场偏移等得以证实。XANES 和 EXAFS 显示，金属阳离子（如Zn2+）的溶剂化鞘中配位的水分子和硫酸根减少，表明离子水聚集体使金属电荷载体与其配位鞘分离，降低了溶剂化能。MD 模拟进一步揭示，随着硫酸胍浓度增加，离子聚集程度增强，破坏了本体水的氢键网络，形成了独特的离子水聚集体结构。
电解质性能
该离子水聚集体电解质表现出优异的性能。多种金属阳离子（Zn2+、Cu2+、Fe2+、Sn2+、Li+）的迁移数分别达到 0.95、0.88、0.86、0.96、0.98，远高于传统电解质。离子电导率超过50mScm?1，有效阳离子电导率（δMn+）显著提升。溶剂化能从 3m ZnSO4中的367.2kcalmol?1降至 1Zn8GS 中的348.9kcalmol?1，表明溶剂化作用减弱。此外，电解质的电化学窗口拓宽，pH 值升高，抑制了析氢副反应，且 freezing point 降至 - 28°C，展现出良好的低温性能。
金属电镀 / 剥离行为
在金属电镀 / 剥离测试中，离子水聚集体电解质表现出高库仑效率（99.9%）和长循环稳定性。例如，Zn||Zn 对称电池在 1Zn8GS 电解质中稳定循环 900 小时，而传统 3m ZnSO4电解质中仅 110 小时就发生短路。原位光学显微镜和 SEM 观察显示，传统电解质中锌枝晶生长明显，而离子水聚集体电解质中金属沉积均匀，抑制了枝晶形成，这归因于离子聚集体在金属表面的吸附形成贫水双电层，增加了成核阻力，促进了均匀生长。
全电池性能
在全电池测试中，Zn||LMO 和 Cu||LMO 双离子电池在离子水聚集体电解质中表现出低极化和稳定的容量保持率，而传统硫酸盐电解质电池容量迅速衰减。以 Br 电极为正极的 Zn||Br 静态电池在离子水聚集体电解质中，不仅在室温下循环 600 次后容量保持率达 88.1%，在 0°C 和 - 10°C 低温下也能保持高可逆容量，且循环稳定性优异，而传统电解质在低温下冻结导致电池失效。
研究结论与意义
该研究通过构建离子水聚集体电解质，成功突破了水溶液电解质中tMn+、δ 和溶剂化能之间的传统权衡关系，实现了多种金属阳离子的快速单一离子传导。离子水聚集体通过强氢键形成的拓扑结构，有效抑制了阴离子迁移和水活性，降低了金属阳离子的溶剂化能，从而实现了均匀的金属电镀 / 剥离行为和高库仑效率。此外，电解质的低温性能和宽电化学窗口拓宽了其应用场景。该研究为高性能水系金属电池的电解质设计提供了新的通用策略，有望推动下一代电化学储能设备的发展。未来，对替代胍基结构（如双环胍和聚胍）的研究可能进一步完善离子水聚集体电解质的设计原则，为电池技术的革新奠定基础。
