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针对水系锌 - 卤素电池的多卤化物穿梭效应和锌枝晶沉积问题，浙江大学研究团队通过阳离子（TMA?）驱动正极相变抑制穿梭，结合阴离子（X?）增强动力学加速反应，在 TMAF 改性电解液中实现 95.2% 能量效率及长循环稳定性，为高效储能提供新策略。
在全球能源转型的浪潮中，可持续储能技术的研发始终是科学界关注的焦点。水系锌 - 卤素电池因其高安全性、大容量和低成本等优势，被视为锂离子电池的理想替代方案之一。然而，该体系长期受困于两大核心难题：一是正极多卤化物（如 I??）的穿梭效应，导致活性物质流失和库仑效率（CE）下降；二是负极锌（Zn）的无序电沉积，引发枝晶生长和电池短路风险，这两大问题严重制约了电池的能量效率（EE）和循环寿命。
为突破上述瓶颈，浙江大学的研究团队开展了一项具有创新性的研究。他们提出通过电解质工程调控阴阳离子协同作用，以同时解决正负极界面问题。该研究成果发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上，为水系储能电池的发展开辟了新路径。
研究人员采用的关键技术方法包括：
- 光谱分析与材料表征：利用拉曼光谱（Raman）、紫外 - 可见光谱（UV-Vis）、X 射线光电子能谱（XPS）等手段，验证多卤化物与季铵盐（TMAX）的结合行为及固体络合物（TMAI?X）的形成。
- 电化学测试：通过循环伏安法（CV）、恒电流间歇滴定技术（GITT）、电化学阻抗谱（EIS）等，分析电池的反应动力学和离子扩散特性。
- 理论计算：运用密度泛函理论（DFT）计算吉布斯自由能（ΔG）和吸附能，揭示阴离子对反应路径的热力学影响。
- 形貌与结构分析：借助扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD），观察锌沉积形态及晶体取向变化。
研究结果
1. 季铵盐与多卤化物的结合行为
向 I??溶液中加入 TMAX 后，溶液分层并形成固体沉淀，拉曼光谱显示 I??和 I??信号显著减弱，证实 TMA?通过静电作用捕获多卤化物，形成稳定的固态卤化物络合物 TMAI?X（X=F/Cl/Br）。其中，TMAF 对 I??的捕获效率最高，紫外 - 可见光谱显示其上清液中 I??吸收峰强度大幅降低，表明穿梭效应得到有效抑制。
2. 正极反应动力学增强
循环伏安法表明，引入卤素阴离子（X?）可降低 I?→I?X?→TMAI?X 反应的吉布斯自由能差，加速 I?/I?X?/TMAI?X 的转化。氟离子（F?）表现出最强的动力学提升效果，其扩散系数（D?）在氧化和还原过程中分别达到 2.59×10?? cm2s?1 和 3.12×10?? cm2s?1，塔菲尔斜率（Tafel slope）显示其碘氧化反应（IOR）和碘还原反应（IRR）的动力学阻力最低。理论计算显示，I?F?的键长最短、静电势（ESP）分布最优，进一步解释了氟离子的高效性。
3. 锌负极沉积行为调控
在 TMAF 电解液中，Zn2?在负极表面优先沉积为（101）晶面，XRD 和 EBSD 分析显示其晶体取向高度有序，抑制了枝晶生长。对称电池测试表明，TMAF 电解液中的 Zn|Zn 电池循环寿命超过 1400 小时，是传统电解液的 5 倍以上。密度泛函理论计算显示，TMA?在 Zn（101）面的吸附能较低，形成阳离子静电屏蔽层，减少了 “尖端效应” 引起的局部电流集中，从而实现均匀沉积。
4. 电池整体性能提升
搭载 TMAF 电解液的锌 - 卤化物络合物电池（ZICB）表现出优异的电化学性能：在 0.2 A g?1 电流密度下，能量效率达 95.2%，循环 1000 次后容量衰减仅 0.1%；在 1 A g?1 高电流密度下，循环 10,000 次的容量衰减率低至 0.1‰。自放电实验显示，TMAF 电解液将库仑效率从传统体系的 80.95% 提升至 98.32%，证实其对穿梭效应的有效抑制。
结论与讨论
该研究通过阳离子驱动相变和阴离子增强动力学的协同策略，成功解决了水系锌 - 卤素电池的核心挑战。季铵盐阳离子（TMA?）不仅通过固液相变捕获多卤化物，还通过静电屏蔽引导锌的有序沉积；卤素阴离子（尤其是 F?）则通过降低反应活化能，加速氧化还原动力学。这种双功能电解质设计为高能量效率、长寿命的水系储能电池提供了新范式，兼具理论创新性与实际应用潜力，有望推动可再生能源存储技术的商业化进程。研究结果表明，合理调控阴阳离子的界面行为是提升电池性能的关键，为后续高性能电池的电解质工程提供了重要参考。
