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隨著電動汽車和便攜裝置的普及,開發高效能、低成本的儲能系統變得愈發重要。於是，科學家們將目光轉向了一種古老而新穎的材料——鋅。這種地殼含量約為 70ppm 的金屬，憑藉成本僅為鋰的 1/10、極高的安全性和環境友好性，成為下一代電池的「潛力股」。
然而，鋅電池也有其「阿喀琉斯之踵」：充放電過程中，鋅表面易形成枝晶，像樹根一樣生長，最終刺穿電池隔膜，導致短路甚至起火。更糟的是，鋅會與水反應產生氫氣，進一步降低效率。
來自電子科技大學、南洋理工大學和湖北大學的研究團隊，提出了一種創新的電解質設計——混合雙鹽電解質（HDE），有望解決這些關鍵難題。
該研究以「Electrolyte design for reversible zinc metal chemistry」為題，於 2025 年 1 月 2 日釋出在《Nature Communications》。
研究背景
鋅金屬陽極在充放電過程中的介面穩定性問題制約了其實際應用。特別是在低電流密度下,腐蝕和析氫反應(HER)會導致庫侖效率(CE)顯著降低。
為解決這些問題,研究團隊開發了混合雙鹽電解質(HDE)。透過選擇合適的鹽對組合和有機共溶劑,最佳化了鋅離子的溶劑化結構,顯著改善了陽極-電解質介面性質,實現了均勻的鋅沉積並有效抑制了副反應。
技術創新
鋅金屬陽極的可逆性挑戰主要源於三個關鍵因素：死鋅（Qdead）、腐蝕（Qcor）和析氫反應（QHER）。這些不可逆過程不僅相互關聯，還與鋅的沉積形態和陽極-電解質介面的性質密切相關。解決這一複雜問題需要從兩個層面入手：實現均勻的鋅沉積，以及構建相對「惰性」的陽極-電解質介面。
為此，研究團隊透過理論計算和分子動力學模擬，研究了電解質組分對介面結構的影響機制。篩選結果確定了三乙基磷酸酯（TEP）和二甲基甲醯胺（DMF）作為最優共溶劑組合。
這兩種共溶劑能夠有效降低介面水的活性，從而抑制腐蝕和析氫反應。同時，團隊創新性地提出雙鹽策略，將高供體數的乙酸根離子（OAc-）與高溶解度的三氟甲磺酸根離子（OTf-）組合使用。這種組合促進了接觸離子對（CIP）的形成，有利於實現均勻的鋅離子沉積。
透過這種多層次的設計策略，研究成功將鋅金屬陽極的庫侖效率提升至 99.95% 的高水平。
圖 1：混合雙鹽電解質的設計原理與實現。（來源：論文）
實驗驗證
本研究評估了三種電解質系統對鋅金屬陽極效能的影響：單鹽(4 m ZnOTf2)、雙鹽(4 m ZnOTf2 + 1 m ZnOAc2)和混合雙鹽(2.8 m ZnOTf2 + 0.7 m ZnOAc2 + 30 wt% DMF)電解質。
透過鋅沉積/剝離測試、對稱電池迴圈和全電池效能評估，混合雙鹽電解質在 1 mA cm⁻² 條件下實現 99.95% 的庫侖效率，顯著高於單鹽（99.3%）和雙鹽（99.8%）。對稱電池可穩定執行超過 2000 小時，而單鹽體系迅速短路。全電池測試中，Zn|ZnI₂ 電池 3000 次迴圈後容量保持率達 97%，陽極自由 Cu|ZnI₂ 電池也實現 1000次 以上穩定迴圈。
FTIR 和 Raman 表徵表明 DMF 降低了介面水活性，雙鹽促進了接觸離子對形成；XPS 和 TEM 分析證實形成了厚度為 50-100 nm 的富含 ZnF₂ 的固體電解質介面，有效抑制副反應並提升了鋅金屬陽極的可逆性。
圖 2：不同電解質體系的電化學效能對比。（來源：論文）
結語
本研究開發的混合雙鹽電解質（HDE）顯著提升了鋅金屬陽極的庫侖效率和迴圈穩定性。透過整合雙鹽策略和有機共溶劑設計，成功抑制了枝晶生長和副反應問題，為水系金屬電池的發展提供了新思路。
這種「雞尾酒」策略不僅推動了鋅金屬電池技術的發展，還可能為解決其他金屬基電池（如錳基、鋁基電池）面臨的類似挑戰提供借鑑。透過合理利用不同鹽類和溶劑的特性，這一策略為設計混合電解質體系開闢了新途徑，為開發高效能水系金屬電池奠定了基礎。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55657-1