溶剂化调控固态共晶电解质实现高电压深度可逆锌电池

为解决固态锌基电池因离子电导率低和界面电压极化大导致的电压平台受限问题，研究人员通过三元共晶电解质与乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)的原位交联聚合，开发出具有3.94×10-3 S cm-1高离子电导率的非易燃固态共晶电解质(PSNE)。该电解质使锌对称电池在80%锌利用率、8.0 mA cm-2高电流密度下稳定运行1700小时，并将全电池放电电压平台提升至2.1V，突破了传统认知中电极材料决定电压平台的限制，为开发高电压、深度可逆的固态金属电池提供了新范式。

　　

在能源存储领域，锌基电池因其本征安全性和环境友好性被视为锂离子电池的理想替代品。然而现有技术面临两大瓶颈：一是传统水系电解质窄的电化学窗口限制了工作电压，二是固态电解质普遍存在离子电导率低（通常<10^-3 S cm^-1）和界面兼容性差的问题，导致在高锌利用率和大电流密度条件下出现严重的电压降。更关键的是，现有研究普遍认为电池电压平台仅由正负极材料决定，电解质仅起离子传输作用，这种认知严重制约了高电压锌电池的发展。

为解决这些挑战，广东某研究机构的研究团队创新性地开发了一种基于溶剂化结构调控的固态共晶电解质(PSNE)。通过将三元共晶电解质（丁二腈(SN)/N-甲基乙酰胺(NMA)/Zn(TFSI)₂）与ETPTA单体原位聚合，成功构建了兼具高离子电导率和宽电压窗口的固态电解质体系。该研究突破性地发现电解质可通过调控Zn²⁺溶剂化结构来提升电池电压平台，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究团队主要采用四种关键技术：1）原位热聚合制备固态共晶电解质；2）结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱分析分子相互作用；3）密度泛函理论(DFT)计算溶剂化结构和能量势垒；4）分子动力学(MD)模拟揭示离子传输机制。通过系统优化Zn(TFSI)₂浓度（0.1-1.0 mol L^-1），发现0.5 mol L^-1时获得最佳性能。

【Preparation of the solid-state eutectic electrolyte】部分显示，通过调控SN/NMA比例（1:4质量比）形成的低共熔溶剂显著降低了体系粘度，配合ETPTA交联网络，使PSNE在25℃下获得3.94×10^-3 S cm^-1的超高离子电导率。热重分析证实其热分解温度达180℃，且具有不可燃特性，解决了传统水系电解质易挥发、易燃的安全隐患。

【Composition and mechanism analysis】部分通过DFT计算揭示，聚合物骨架与SN/NMA间存在强相互作用（结合能达-1.566 eV），这种"锚定效应"不仅促进离子传导，还拓宽了电化学窗口。LSV测试显示PSNE氧化电位达2.85V，Zn²⁺迁移数提升至0.60，远高于液态电解质（<0.3）。

【Stripping/plating reversibility】部分证明，ZnSnF@Zn电极在PSNE中实现99.86%的库仑效率（1100次循环），对称电池在80%锌利用率、10 mA cm^-2条件下稳定运行1000小时。XRD表征证实PSNE有效抑制了副反应，循环后电极未出现杂相峰。

【Performance of solid-state full batteries】部分显示，PSNE使K_1.6Mn_1.2Fe(CN)₆全电池放电平台提升至2.1V，在300 mA g^-1下经1200次循环容量保持率达90.4%。组装的软包电池（正极载量2.4 mg cm^-2）实现50 Wh kg^-1比能量和900次循环稳定性。

【Mechanism analysis】部分通过MD模拟和DFT计算阐明电压提升机制：NMA与Zn²⁺形成(NMA)₂Zn(TFSI)₂溶剂化结构，其脱溶剂能垒（513.47 kcal/mol）显著高于(SN)₂Zn(TFSI)₂，通过增大脱溶剂电位提升了整体放电电压。

该研究颠覆了"电池电压平台仅由电极材料决定"的传统认知，首次证实通过电解质溶剂化结构调控可主动提升电池电压。PSNE兼具高离子电导率（比常规固态电解质高1-2个数量级）、不可燃特性和界面稳定性，使锌电池在80%高利用率下实现1700小时超长循环，为发展高安全、高能量密度储能器件提供了全新思路。这种溶剂化调控策略可拓展至其他金属电池体系，具有重要的科学意义和应用价值。