近日，文理学院化学系倪乔副教授课题组在《ACS Energy Letters》期刊（中科院一区Top期刊，影响因子19.5）在线发表题为“Subzero Temperature Operation of Aqueous Zn Metal Batteries by Tailoring Electrolyte Solvation Structure”的研究论文。倪乔副教授为论文第一作者，韩国首尔大学教授Kisuk Kang为论文的通讯作者。北京师范大学文理学院为论文第一单位，韩国首尔大学、北京理工大学、泰国孔敬大学、福州大学等多所高校为参与单位。该成果得到国家自然科学基金青年基金、广东省自然科学基金面上项目等项目支持。
随着风能、太阳能、水能等可再生能源在电力装机量中占比越来越大，开发高安全、环境友好、循环稳定、低成本的能源存储系统，以应对可再生能源分布不均和不稳定的问题，已迫在眉睫。水体系锌离子电池因其特有的高安全性、原材料廉价和环境友好等优点，被认为是储能二次电池的理想选择。而应用于规模储能的电池需要在−40~50 ℃ 的温度范围内正常工作，这对储能装置提出了较高的温度耐受性要求，尤其是在低温运行环境下。此外，由于纯水的凝固点通常高于有机溶剂，水体系锌离子电池还存在低温下容量衰减较快、离子电导率急剧降低等问题。
实际上，电池在低温下性能的急剧下降不仅源于零下温度时电解液的冻结，还与电极-电解质界面处急剧增加的电荷转移阻抗，以及低温工况下锌离子脱溶剂化能垒密切相关。目前的研究工作对于环境温度如何影响电解液溶剂化结构以及锌金属沉积/剥离行为，以及溶剂化结构如何在热力学和动力学上决定低温性能，还缺乏深入认识。
基于以上认识，本研究开发了一种基于丙三醇共溶剂的低浓度 ZnCl₂ 水体系电解液（命名为 GL50）。通过原位变温光谱技术结合分子动力学分析发现：高介电常数的丙三醇分子部分破坏水分子间的氢键，与水分子形成更为稳定的 GL-H₂O 氢键结构。另外一部分则进入了锌阳离子的第一溶剂化鞘层，形成了简化的水合配位结构。当电解液温度降至 −40 ℃ 时，更多的 Cl⁻ 阴离子会与 Zn²⁺ 阳离子配位，通过补偿共溶剂引入导致的动力学损失，从而降低了锌离子的脱溶剂化能。这种整体限域结构不仅降低了电解液的凝固点，还有效抑制了析氢反应。较低的脱溶剂化能则降低了电极/电解液界面处的电荷转移阻抗，增强了低温下锌离子迁移动力学行为。
分子动力学模拟以及原位变温拉曼对电解液在不同温度下的溶剂化结构的解析
研究结果表明：该 GL50 电解液表现出 −99.2 ℃ 的超低凝固点，在 −40 ℃ 条件下锌沉积/剥离平均库仑效率高达 99.94%，具有超过 3.09 V 的电化学稳定窗口。所组装的水体系锌离子电池全电池在 −40 ℃ 时仍能保持约70.4% 的室温可逆容量，远超文献报道的数据。该工作对于理解溶剂化结构的温度依赖性演化规律，以及温度对锌金属成核动力学影响机制具有重要参考价值。为开发适用于极端户外环境储能系统的宽温域电池体系提供了可行路径。
基于 GL50 电解液的水体系锌离子电池在低温下的性能表现以及机理展示