锌电池技术迎来新突破：电子科大与湖北大学合作利用混合双盐电解质有效抑制枝晶生长，显著提升库仑效率至99.95%，大幅减少副反应，实现高效稳定储能！

随着电动汽车和便携设备的普及，高性能、低成本储能系统的重要性日益凸显。科学家们将目光投向了一种古老而新颖的材料——锌。这种金属在地壳中的含量约为70ppm，成本仅为锂的1/10，并且具有极高的安全性和环境友好性，因此成为下一代电池的理想选择。然而，锌电池也面临一些挑战：充放电过程中容易形成枝晶，导致短路甚至起火；此外，锌会与水反应产生氢气，进一步降低效率。

为了解决这些问题，来自电子科技大学、南洋理工大学和湖北大学的研究团队提出了一种创新的电解质设计——混合双盐电解质（HDE）。该研究以「Electrolyte design for reversible zinc metal chemistry」为题，于2025年1月2日发表在《Nature Communications》上。

研究背景
锌金属阳极在充放电过程中的界面稳定性问题制约了其实际应用。特别是在低电流密度下，腐蚀和析氢反应（HER）会导致库仑效率（CE）显著降低。为解决这些问题，研究团队开发了混合双盐电解质（HDE），通过选择合适的盐对组合和有机共溶剂，优化了锌离子的溶剂化结构，显著改善了阳极-电解质界面性质，实现了均匀的锌沉积并有效抑制了副反应。

技术创新
锌金属阳极的可逆性挑战主要源于三个关键因素：死锌（Qdead）、腐蚀（Qcor）和析氢反应（QHER）。这些不可逆过程不仅相互关联，还与锌的沉积形态和阳极-电解质界面的性质密切相关。解决这一复杂问题需要从两个层面入手：实现均匀的锌沉积，以及构建相对「惰性」的阳极-电解质界面。

为此，研究团队通过理论计算和分子动力学模拟，研究了电解质组分对界面结构的影响机制。筛选结果确定了三乙基磷酸酯（TEP）和二甲基甲酰胺（DMF）作为最优共溶剂组合。这两种共溶剂能够有效降低界面水的活性，从而抑制腐蚀和析氢反应。同时，团队创新性地提出双盐策略，将高供体数的乙酸根离子（OAc-）与高溶解度的三氟甲磺酸根离子（OTf-）组合使用。这种组合促进了接触离子对（CIP）的形成，有利于实现均匀的锌离子沉积。通过这种多层次的设计策略，研究成功将锌金属阳极的库仑效率提升至99.95%的高水平。

实验验证
本研究评估了三种电解质系统对锌金属阳极性能的影响：单盐(4 m ZnOTf2)、双盐(4 m ZnOTf2 + 1 m ZnOAc2)和混合双盐(2.8 m ZnOTf2 + 0.7 m ZnOAc2 + 30 wt% DMF)电解质。实验结果显示，混合双盐电解质在1 mA cm⁻²条件下实现了99.95%的库仑效率，显著高于单盐（99.3%）和双盐（99.8%）。对称电池可稳定运行超过2000小时，而单盐体系迅速短路。全电池测试中，Zn|ZnI₂电池3000次循环后容量保持率达97%，阳极自由Cu|ZnI₂电池也实现了1000次以上稳定循环。FTIR和Raman表征表明DMF降低了界面水活性，双盐促进了接触离子对形成；XPS和TEM分析证实形成了厚度为50-100 nm的富含ZnF₂的固体电解质界面，有效抑制副反应并提升了锌金属阳极的可逆性。

结语
本研究开发的混合双盐电解质（HDE）显著提升了锌金属阳极的库仑效率和循环稳定性。通过整合双盐策略和有机共溶剂设计，成功抑制了枝晶生长和副反应问题，为水系金属电池的发展提供了新思路。这种「鸡尾酒」策略不仅推动了锌金属电池技术的发展，还可能为解决其他金属基电池（如锰基、铝基电池）面临的类似挑战提供借鉴。通过合理利用不同盐类和溶剂的特性，这一策略为设计混合电解质体系开辟了新途径，为开发高性能水系金属电池奠定了基础。

本文来源： 机器之心【阅读原文】