《Nature Communications》：Solvation chemistry tailored via dielectric constant engineering for stable low-temperature aqueous zinc batteries
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本研究针对水系锌金属电池在低温下性能急剧衰减的难题，通过向Zn(ClO4)2电解液中引入低介电常数（ε）的共溶剂乙酸乙酯，重塑Zn2+的溶剂化结构，抑制了水合水的氢键网络，促进了离子对的形成。这不仅显著提升了Zn2+的传输与去溶剂化动力学，还引导形成了富含有机/无机成分的稳定固态电解质界面膜，有效抑制了析氢等副反应。最终实现了Zn||Zn电池在-50°C下长达4000小时的稳定循环，以及Zn||PANI电池在同等低温下10000次循环无显著衰减，为发展高性能低温水系电池开辟了新途径。
随着全球对可再生能源存储需求的日益增长，水系锌金属电池以其固有的高安全性、低成本和高理论容量，被视为极具潜力的下一代储能技术。然而，当气温降至冰点以下，这项技术的美好蓝图便蒙上了一层“冰霜”。低温会使得电解液粘度急剧增加，离子移动变得异常缓慢，电化学反应动力学严重迟滞。更棘手的是，在锌金属负极表面，水分子会与锌离子竞争得电子，引发剧烈的析氢副反应，同时不稳定的界面导致锌枝晶肆意生长，电池性能迅速衰减甚至失效。如何让水系锌电池“无惧严寒”，在低温下依然稳定工作，成为其走向实际应用道路上必须攻克的关键堡垒。
为了解决这一难题，研究团队将目光投向了电解液设计的核心——离子溶剂化结构。他们提出了一种巧妙的“介电常数工程”策略。电解液的介电常数（ε）是衡量其隔离电荷、溶剂化离子能力的关键物理参数。研究人员向常规的Zn(ClO4)2水溶液电解液中，引入了低介电常数的共溶剂——乙酸乙酯。这一招如同在有序的队伍中投入了“干扰因子”，它战略性地削弱了水分子之间强大的氢键网络，同时增强了Zn2+与阴离子(ClO4-)之间的相互作用，促进了接触离子对的形成。这种被重塑的溶剂化结构，带来了一系列连锁的积极效应。
为验证这一策略，研究主要采用了材料表征与电化学测试相结合的方法。通过分子动力学模拟、拉曼光谱和核磁共振等技术深入解析了电解液的微观结构；利用X射线光电子能谱、飞行时间二次离子质谱等技术剖析了电极表面的化学成分与界面演化；通过系列电化学测试（如循环伏安法、电化学阻抗谱、恒电流充放电等）系统评估了电池的电化学性能，包括锌沉积/剥离的可逆性、界面稳定性及全电池的长循环寿命。
优化的电解液展现出卓越的低温电化学性能
在-50°C的极端低温下，使用优化电解液的Zn||Zn对称电池在1 mA cm?2的电流密度下能够稳定循环超过4000小时，展现出极高的锌沉积/剥离可逆性和界面稳定性。相比之下，常规电解液中的电池很快失效。这直接证明了改性电解液在低温下依然能维持高效的离子传输和稳定的电极/电解液界面。
Zn||PANI全电池实现超长循环寿命
将改性电解液应用于以聚苯胺为正极的全电池（Zn||PANI）。在-50°C、1 A g?1的大电流密度下，电池能够稳定运行超过10000次循环，容量保持率极高，几乎观察不到衰减。这充分证明了该电解液工程策略在实际电池体系中的有效性和实用性，为实现低温高功率水系电池提供了坚实依据。
揭示界面保护层的形成与作用机制
通过深入的表征分析，研究揭示了性能提升的微观机制。改性电解液诱导在锌负极表面形成了一层独特且坚固的固态电解质界面（SEI）膜。这层SEI膜富含有机锌盐和无机ZnF2、ZnS等成分。有机组分提供了柔韧性，无机组分则保证了机械强度和离子电导率。这种“刚柔并济”的复合SEI膜能有效抑制锌枝晶的生长，并极大地阻隔了水分子与锌金属的直接接触，从而显著抑制了析氢副反应，保护了锌负极。
阐明动力学提升的根源
研究进一步从动力学角度进行阐释。引入低ε共溶剂后，Zn2+的溶剂化鞘结构发生变化，其去溶剂化能垒显著降低。同时，电解液的整体离子电导率在低温下得以更好保持。这两者共同加速了Zn2+在界面处的电荷转移过程，使得即使在低温下，电化学反应也能快速进行，这是电池获得优异倍率性能和长循环寿命的根本原因。
综上所述，这项研究通过精巧的介电常数工程设计，成功改造了水系电解液的溶剂化结构，攻克了低温水系锌金属电池在离子动力学和界面稳定性方面的核心挑战。它不仅在-50°C的超低温环境下实现了锌金属负极的长期稳定循环和全电池的超长寿命，更重要的是，它从物理化学基本原理出发，提出并验证了“通过调控溶剂介电性质来定制离子溶剂化环境”这一普适性电解质设计新范式。该工作深化了对水系电池中离子输运与界面形成机制的理解，为开发适用于极端环境的高性能、低成本、高安全储能系统提供了全新的思路和切实可行的解决方案。
