先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学） Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)

第一作者：Qiu Zhang，Yilin Ma

通讯作者：陈军

通讯单位：南开大学

本文亮点：

1. 通过调节电解质结构，使水电解质的固液转变温度从0降至-114 ℃。

2. 发展了超低温水系锌电池。

可充电水性电池由于其高安全性和低成本而成为潜在的大规模能量存储新兴系统。然而，水电解质的冻结行为，限制了这种电池在低温条件下的运行。

有鉴于此，南开大学陈军院士报道了通过调节电解质结构，使ZnCl₂溶液中原有的氢键网络断裂，从而抑制了水的冻结，使水电解质的固液转变温度从0降至-114 ℃。

图1. 设计思路

要点1. 超低凝固点

为了实现低T_t溶液，研究人员引入了高可溶性盐ZnCl₂，并考虑了H键和阳离子阴离子相互作用的调节，通过调节C_ZnCl2实现了液-固转变的最大抑制。由于离子物质与水分子之间的强偶极-偶极力，水的原始H键结构被破坏，并出现Zn2+溶剂化构型。同时，该电解质主要由具有弱H键相互作用的水分子，Zn(H₂O)₂Cl₄^2–，ZnCl⁺和Zn(H₂O)₆²⁺组成。弱的H键降低了水的凝固点，而增强的离子相互作用则提高了电解质T_t。

图2. 电解质结构表征

要点2. 超低温水系电池

该电解质在–100至+ 60 °C的超宽温度范围内具有高离子电导率（在–60 °C时为1.79 mS cm^-1），并且与Zn具有良好的相容性。这种基于ZnCl₂的低温电解质使得聚苯胺（PANI）||Zn电池可在-90至+60 °C的超宽温度范围内工作，该温度范围涵盖了有记录的地表温度。同时，PANI||Zn电池在-90 °C的极低温度下显示出高耐受性，并且在-70 ℃时具有稳定的循环性能（84.9 mA hg^-1，约2000个循环），容量保持率约为100% 。

图3. 电池性能和储能机理

小结

该研究工作为通过调整电解质结构推动低温水系电池的发展提供了有效的策略，拓宽了水系电池温度适应性的应用范围。

参考文献：
Zhang, Q., Ma, Y., Lu, Y. et al. Modulating electrolyte structure for ultralow temperature aqueous zinc batteries. Nat Commun 11, 4463 (2020)

DOI：10.1038/s41467-020-18284-0

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18284-0