高熵溶剂化化学实现安时级锌金属电池的低成本与实用化

本研究针对水系锌离子电池能量密度低、循环寿命短的核心难题，创新性地提出高熵溶剂化电解质（HESE）设计策略。通过引入微量多卤素阴离子（Cl-/Br-/I-）构建富含单卤素接触离子对（CIP）的溶剂化结构，成功打破传统卤素电解质中过电位与库仑效率的权衡关系。该电解质（0.33$·kg-1）在贫电解液条件（2.4μL mg-1）下实现152.2 Wh kg-1电极能量密度，1Ah级软包电池循环250次后库仑效率仍保持99.90%，为实用化锌电池开发提供新范式。

　　

水系锌离子电池因其本征安全性、低成本特性被视为大规模储能的有力候选者，但传统水系电解质中水分子引发的析氢反应（HER）和枝晶生长严重制约其能量密度与循环寿命。现有"贫水电解质"虽能缓解问题，但高昂的盐成本（如LiTFSI）使其难以实用化。如何在保持成本优势的前提下精准调控Zn²⁺溶剂化结构，成为突破锌电池性能瓶颈的关键科学问题。

针对这一挑战，来自上海大学材料基因组工程研究院（Hongwei Cheng、Xionggang Lu团队）与松山湖材料实验室的研究人员创新提出高熵溶剂化化学策略，通过在2M ZnSO₄基础电解液中引入微量（0.02M）Cl^-/Br^-/I^-混合卤素阴离子，构建出富含单卤素接触离子对（CIP）的高熵溶剂化结构（HESE）。这种设计既保留了电解质的经济性（0.33$·kg^-1），又通过熵增效应打破传统卤素电解质的性能桎梏，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队综合运用分子动力学模拟（MD）、同步辐射X射线吸收谱（XANES/EXAFS）和原位拉曼光谱等先进表征技术，结合电化学测试与理论计算，系统揭示了高熵溶剂化结构的调控机制。通过构建包含18种Zn²⁺溶剂化构型的多样化体系（常规电解质仅2种），实现溶剂化熵值从902.22提升至1172.43。关键发现包括：单卤素CIP占比达72%显著降低脱溶剂化能垒（24.22 vs 34.59 kJ mol^-1），而多卤素聚集体（AGG）仅占23%避免高能垒阻碍；Zn²⁺扩散系数提升至1.96×10^-4 cm² s^-1（基线电解质0.89×10^-4 cm² s^-1）。

高熵溶剂化结构的形成机制
MD模拟显示HESE中Zn²⁺主要与3.10个H₂O、0.94个Cl^-、0.40个Br^-和0.37个I^-配位，形成尺寸更小的离子簇（0.706 vs 1.125 nm）。X射线散射（WAXS）证实其低Q区散射强度减弱，印证了离子簇尺寸的减小。这种结构使Zn||Zn对称电池在40 mA cm^-2、20 mAh cm^-2（68.4% DOD）条件下稳定循环220小时。

界面化学的动态调控
原位拉曼光谱捕获到电极界面处[ZnCl_x]^2-x特征峰（160 cm^-1）的持续存在，证实了贫水卤素界面的形成。强氢键（S-H）占比稳定在34%（基线电解质29%），有效抑制HER（析氢电位负移至-1.738 V）。这种界面环境使Zn||Cu电池在5 mA cm^-2下实现99.94%的平均库仑效率（CE），过电位仅29 mV。

实用化电池性能验证
采用19 mg cm^-2高载量NaV₃O₈正极与20μm薄锌负极（N/P≈1.52）组装的电池，在贫电解液（E/C=6μL mAh^-1）条件下输出9.23 mAh cm^-2面容量。1Ah级软包电池经250次循环容量保持率93%，且无鼓胀现象。

该研究通过高熵溶剂化结构设计，首次实现锌电池中"低过电位（46 mV）"与"高库仑效率（>99.90%）"的协同提升，为发展低成本、高能量密度水系电池提供了新思路。其价值不仅在于电解质配方创新，更开创了通过溶剂化熵工程调控金属沉积行为的新范式，对锂、钠等金属电池开发也具有借鉴意义。研究揭示的"单卤素CIP主导-多卤素AGG辅助"的协同机制，为后续精准调控离子-溶剂相互作用提供了理论框架。