调控阳离子-阴离子簇化学增强低温锌离子电池界面动力学

针对低温环境下锌电极界面动力学迟滞问题，研究人员通过引入环戊基甲基醚(CPME)稀释剂构建局部阳离子-阴离子簇化学，实现三氟甲磺酸根(OTF?)选择性配位并形成富ZnF2界面层，使Zn//Cu电池在-40℃下实现1200次循环（库伦效率99.74%），Zn//NVO全电池2000次循环容量保持率达90.91%，为极端环境水系电池设计提供新范式。

　　

随着全球对可再生能源存储需求激增，水系锌离子电池(AZIBs)因其本征安全性和成本优势成为研究热点。然而在低温环境下，电解液中氢键网络形成的结晶会严重阻碍Zn²⁺传输，锌电极界面脱溶剂化能垒升高导致沉积不均匀，引发枝晶生长和容量衰减。传统高浓度电解液虽能抑制析氢反应，但存在粘度大、成本高等缺陷；而共溶剂策略又因溶剂分子占据第一溶剂化鞘层，反而加剧界面极化。这些矛盾使得开发兼顾低温性能与经济性的电解液成为行业瓶颈。

针对这一挑战，中国研究人员在《Journal of Energy Chemistry》发表创新成果。通过引入环戊基甲基醚(CPME)作为稀释剂，构建了独特的局部阳离子-阴离子簇化学环境。研究团队采用分子动力学模拟结合同步辐射X射线吸收谱，证实CPME能选择性促进三氟甲磺酸根(OTF^?)进入Zn²⁺溶剂化鞘层，而自身不参与配位。这种"旁观者效应"使脱溶剂化活化能降低至16.7 kJ mol^?1，较基准电解液下降62%。冷冻透射电镜进一步揭示，增强的Zn²⁺-OTF^?相互作用驱动阴离子优先分解，形成厚度约8 nm的富ZnF₂固体电解质界面层(SEI)，其离子电导率达2.4×10^?3 S cm^?1。

CPME调控阳离子-阴离子簇化学
通过拉曼光谱和核磁共振分析发现，CPME的引入使OTF^?的S=O振动峰红移12 cm^?1，证实其与阴离子形成C-H···O氢键。这种作用重构了Zn²⁺的溶剂化结构，使接触离子对(CIPs)占比从21%提升至43%，显著降低界面去溶剂化能垒。

低温电化学性能提升
在-40℃下，优化电解液离子电导率保持1.68 mS cm^?1，Zn²⁺迁移数提升至0.63。Zn//Cu不对称电池在0.5 mA cm^?2条件下实现1200次稳定循环，过电位仅28 mV。全电池测试中，NaV₃O₈·1.5H₂O正极材料展现出104 mAh g^?1的可逆容量，2000次循环后容量保持率超90%。

该研究突破传统电解液设计范式，通过非配位稀释剂调控局部溶剂化微环境，实现界面动力学与SEI组成的协同优化。这种策略不仅适用于极端环境储能器件开发，其"阳离子-阴离子簇"化学原理还可拓展至其他多价离子电池体系，为新型电解液设计提供理论指导。