双结构破坏电解质实现实用化镉金属电池：高库伦效率与无枝晶负极设计

为解决水系金属电池负极枝晶生长和腐蚀问题，Yang-Feng Cui团队开发了由CdCl2和NH4Cl组成的快速动力学结构破坏电解质（SBE）。该电解质通过形成NH4+和[CdCl4]2-双结构破坏因子，实现99.93%的库伦效率（CE）和55%负极利用率，兼容多种正极材料（V2O5/AC/PANI/CdI2），为可持续储能系统提供新方案。

　　

在可再生能源转型的浪潮中，电网级储能技术面临严峻挑战。传统锂离子电池受限于易燃有机电解质和稀缺材料，而新兴的水系锌金属电池（AZBs）又饱受枝晶短路和负极腐蚀困扰。更棘手的是，现有金属负极候选者各存缺陷：铁负极易钝化、锡负极需酸性环境、铜/铋负极氧化电位过高。这时，一个被忽视的元素——镉（Cd）进入了科学家视野。作为锌矿开采的必然副产品，镉金属具有-0.40 V（vs. SHE）的合适电位和477 mAh g^-1的理论容量，但如何解决其在水系环境中的电化学稳定性成为关键难题。

针对这一挑战，研究人员创新性地设计了基于CdCl₂+NH₄Cl的双结构破坏电解质（SBE）。通过分子动力学模拟和密度泛函理论计算，发现NH₄⁺通过氢键形成松散的四配位结构，而[CdCl₄]^2-取代传统[Cd(H₂O)₆]²⁺成为主导镉物种。这种独特的电解质微环境使粘度降至1.079 mPa·s（接近纯水），交换电流达66.7 mA cm^-2，远超常规电解质。实验证实，该设计使镉沉积呈现单晶六方密排结构，在5 mAh cm^-2的高面容量下实现99.93%的库伦效率，间歇使用时的老化CE仍保持99.34%。

研究采用多种关键技术：1）通过核磁共振（NMR）和拉曼光谱解析电解质结构；2）利用聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）和球差校正透射电镜（HAADF-STEM）表征电极微观结构；3）采用三电极体系测试电化学动力学参数；4）构建包括Cd||CdI₂、Cd||PANI等全电池验证实用性。

【结构破坏机制】通过比较不同离子对水分子网络的影响，发现NH₄⁺和[CdCl₄]^2-能显著降低电解质粘度（1C6N比1C降低44%），其结合能（-135.327 kcal mol^-1）远低于[Cd(H₂O)₆]²⁺（-300.120 kcal mol^-1），加速了脱溶剂化过程。

【沉积形貌调控】在1C6N电解质中，镉沉积呈现高度有序的层状生长（ababab堆叠），而传统电解质产生多晶枝晶。FIB-SEM显示单晶区域无晶界存在，HAADF-STEM证实其（101）晶面优先取向生长。

【全电池性能】组装的Cd||CdI₂全电池在-28 mg cm^-2高载量下实现72.9 Wh kg^-1的实际能量密度（总电极质量计算），在0-60℃宽温域保持>92%容量保持率。放大至49 cm²的软包电池可稳定点亮LED超过1500小时。

这项发表于《Nature Communications》的研究，不仅为镉金属这一锌矿副产品找到高值化利用途径，更开创了通过结构破坏策略调控金属沉积动力学的新范式。其意义在于：1）首次实现镉金属负极在水系电解液中的长效稳定循环；2）提出的双结构破坏机制可拓展至其他多价金属电池体系；3）为电网储能提供了兼具安全性、经济性和性能均衡的新型电池选项。需要注意的是，尽管镉的毒性限制了其消费级应用，但在工业储能场景中，通过闭环回收系统可有效控制环境风险。该研究为传统金属的资源化利用与新型电解质设计提供了重要参考。