非均质局域聚集体的原子级-宏观结构-活性助力超低温混合水系电池

在追求更可靠和经济上可行的储能解决方案时，人们越来越重视水系电池的使用，如水系锌离子电池和锂离子电池。由于水的有限热力学电化学稳定性窗口（1.23 V）和水的低温冻结，使得水系电池存在相对较低的能量密度、较差的循环寿命和有限的工作温度范围等问题。揭示均相电解液微观上的原子级溶剂化结构和宏观上的离子输运性质，以及它们之间的构效关系，是解决上述问题的关键。

加入有机共溶剂已成为克服这些限制的有效解决方案，然而大多数混合电解液主要强调二元相互作用（离子-有机溶剂或水-有机溶剂）而调节局部原子水平的溶剂化或水合结构。涉及盐-水-有机共溶剂的三元相互作用及其对混合电解液的原子水平和宏观结构特征的影响仍然没有得到深入的探索，呈现出许多有待解开的谜团。

近日，湖北大学王浩教授、万厚钊教授和电子科技大学张宝研究员合作，系统地揭示了盐-水-有机共溶剂的三元相互作用及其对混合电解液的原子水平和宏观结构特征的复杂影响，创新性的提出一类用于超低温水系锌、锂离子电池的胶束状结构电解液。具有富有机相和纳米级水电解质聚集体的胶束状结构电解液，由适当的低供体数（DN）助溶剂和两亲阴离子实现。值得注意的是，这种电解质具有极高的溶解度，在水性胶束中可容纳高达29.8 m的三氟甲磺酸锌。这种结构保持了胶束内盐包水的设置，从而实现了宽电化学窗口（高达3.86 V）、低粘度和最先进的超低温锌离子电导率（-80 °C时为1.58 mS·cm^-1）。基于不均匀局域聚集体的独特性质，这种胶束状电解质即使在-80 °C时也能促进无枝晶Zn的电镀/剥离。组装的Zn||PANI电池在-80 °C的条件下，显示出71.8 mAh·g^-1的惊人容量和超过3000次的使用寿命。

图1. 胶束状结构电解液的选择

图2. 胶束状结构电解液的独特理化性质

图3. 胶束状结构电解液的独特溶剂化结构

图4. 氢键网络重组行为和冰形成动力学分析

图5. 高度可逆的锌电镀/剥离行为

图6. 超低温下的锌对称电池和锌全电池电化学性能表现

总之，该研究在原子溶剂化结构和微观结构中整合了水、盐和有机助溶剂的复杂相互作用，提出了一类用于锌金属和水系锂离子电池的胶束状结构电解质。在这种胶束状结构中，两亲阴离子可作为表面活性剂，使阳离子在富含CIPs/AGGs溶剂化结构的MSE中实现局部分布。胶束状结构界面有效地破坏了水分子之间高度有序的氢键网络，从而显著降低了混合电解质的凝固点。该研究为电解质的设计奠定了基础，它超越了传统的局部原子溶剂化结构，拓展了盐包水电解质概念的视野。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是湖北大学博士研究生姚佳。

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Atomic Level-Macroscopic Structure-Activity of Inhomogeneous Localized Aggregates Enabled Ultra-Low Temperature Hybrid Aqueous Batteries

Jia Yao, Bao Zhang, Xiaofang Wang, Li Tao, Jie Ji, Ziang Wu, Xingtai Liu, Jingying Li, Yi Gan, Junjie Zheng, Lin Lv, Xiao Ji, Hanbin Wang, Jun Zhang, Hao Wang, Houzhao Wan

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202409986

通讯作者介绍

王浩教授 二级教授，博士生导师，国际先进材料协会会士(FIAAM)，享受国务院政府特殊津贴，湖北省劳动模范、省新世纪高层次人才第一层次人选、省有突出贡献中青年专家。1989年、1994年获华中科技大学学士和博士学位；1994年-2002年北京大学、香港中文大学博士后；2002年任上海交通大学教授；2005-2010年任湖北省“楚天学者计划”特聘教授；2010年任剑桥大学高级研究员；2005-2019年分别任法国国家科学研究院、德国马普固体研究所、瑞典皇家理工学院、芬兰阿尔托大学、香港中文大学及台湾中山大学访问教授。兼任湖北江城实验室副主任和首席科学家、神经形态器件与类脑芯片湖北省工程研究中心主任，中国仪器仪表学会仪表功能材料分会副主任委员、中国半导体三维集成制造产业联盟副理事长、湖北省电子学会副理事长。Materials Focus、Frontiers in Energy Research、《材料导报》编委。研究方向为能源信息功能材料与微纳器件，获湖北省自然科学二等奖等省部级奖励5项，获授权国际国内发明专利80余项。在Adv. Mater.、Angewandte Chemie、Adv. Energy Mater.、InfoMat、SmartMat、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano-Micro Lett.、IEEE EDL等期刊发表论文300余篇，被引用1万余次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49755 

万厚钊教授 博士生导师，湖北省青年人才，微纳电子材料与器件湖北省重点实验室副主任。获2022湖北向上向善好青年，3551光谷人才计划“产业教授”，全球前2%顶尖科学家2020与2022榜单，2021校青年科学家十大科技成果，2020-2022年校优秀教师。主要从事储能材料与器件基础研究与应用开发，主持国家科技重大专项子课题、国家自然科学基金面上与青年基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目与企业横向等10余项。以第一/通讯作者在Angew., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Micro lett., Nano Res.等SCI期刊发表论文50余篇，被引用6000余次，H因子38。申请国际/国家发明专利32项，其中授权16项。获2020-2022年度无机化工科学技术奖-技术发明奖二等奖(2/5)，兼任中国稀土学会固体科学与新材料专业委员会委员，《稀有金属》、《SmartMat》青年编委。指导本科生获A1类赛事：第八届“互联网+”全国银奖；第十七届“挑战杯”学术作品竞赛全国二等奖；第十三届“挑战杯”创业大赛全国铜奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/126778 

张宝，电子科技大学特聘研究员，主要从事能源材料计算模拟与设计的科学研究，基于多尺度计算模拟方法，探究材料表界面反应路径及调控机制。迄今为止在Science，Nature Energy, EES，Adv. Mater.，ACS Energy Lett.等国际知名学术期刊上发表SCI论文多篇，累计引用7000余次，入选科睿唯安2023年交叉领域高被引学者。