讓電池不怕“烤”驗！我國新型電解質技術推動高性能鋅電池發展

2025-12-12 13:35:23來源：儀表網關鍵詞：水系鋅金屬電池濕砂電解液閱讀量：24451

導讀：中國科學院大連化物所的這項研究成果，宛如一把精心鍛造的“鑰匙”，解開了長期禁錮水系鋅電池的“高溫鎖”。

　　在當今全球能源轉型與“雙碳”目標驅動下，開發高安全、低成本、長壽命的規模儲能技術已成為科研與產業界的共同焦點。水系鋅金屬電池，因其本質安全、資源豐富、環境友好及理論能量密度高等優勢，被視為極具潛力的下一代儲能體系之一。然而，其產業化道路長期被一個關鍵瓶頸所阻礙——高溫環境下的嚴重性能衰減。高溫會加劇水的活性和副反應，導致鋅負極不可控的枝晶生長與腐蝕，極大縮短電池壽命，這如同為水系鋅電池的廣泛應用套上了一把“高溫鎖”。

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所的研究團隊在這一領域取得了突破性進展。他們創新性地設計并制備出一類被稱為“濕砂”的結構化凝膠電解質，成功破解了水系鋅電池的高溫運行難題，為解鎖其全氣候應用潛力提供了顛覆性的解決方案。相關研究成果已發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上，引起了國內外同行的廣泛關注。

　　直面核心挑戰：高溫下的“水”之困局

　　要理解這項突破的價值，首先需直面水系鋅電池在高溫下的根本困境。與傳統使用易燃有機電解液的鋰離子電池不同，水系電池以水為電解液溶劑，雖贏得了安全性，卻引入了新的煩惱。水分子化學窗口窄，且其活性隨溫度升高而急劇增強。在高溫下：

　　副反應肆虐：水更容易在電極界面發生分解，產生氫氣，并加劇鋅負極的腐蝕與鈍化。

　　枝晶失控：鋅離子遷移和沉積動力學加快，但若無有效引導，極易形成尖銳的枝晶，刺穿隔膜導致電池短路。

　　電解液消耗：持續的副反應和蒸發導致電解液干涸，電池性能迅速衰降。

　　因此，如何在高溫下有效“管理”水分子，馴服鋅離子的沉積行為，是攻克難關的核心。

　　靈感源于自然：“濕砂”電解質的巧妙構思

　　研究團隊的靈感來源于常見的自然現象——濕砂。沙粒本身松散，但加入適量水后，卻能粘結成型，既保持一定的固體形態，又含有維持離子傳輸所必需的液態水。受此啟發，他們旨在設計一種電解質，既能像固體一樣鎖住水分子、抑制其有害活性，又能像液體一樣保證離子高效傳導。

　　基于這一理念，團隊通過精密的分子設計，合成了一種具有三維網絡結構的多功能聚合物基體。該基體富含大量特定的親鋅官能團，構成了獨特的“濕砂”結構：

　　“沙粒”骨架：堅固的三維聚合物網絡作為支撐，賦予電解質優異的機械強度和尺寸穩定性。

　　“鎖定”的水：網絡中的功能性位點通過強氫鍵等相互作用，牢牢錨定水分子，極大減少了自由水的含量與活性，從根本上抑制了高溫下水引發的副反應和蒸發問題。

　　離子傳輸通道：被固定的水分子在聚合物網絡中形成連續的離子傳輸通道，確保鋅離子能夠高效遷移。

　　智能引導沉積：更為關鍵的是，這些親鋅位點能優先吸附鋅離子，調控其溶劑化結構，在電極界面形成穩定的固態電解質界面膜，并引導鋅離子均勻、水平地沉積，有效抑制了枝晶的生長。

　　卓越性能：高溫下的穩定答卷

　　實驗數據有力地驗證了“濕砂”電解質設計的成功。研究顯示，采用這種新型電解質的鋅對稱電池，在嚴苛的60℃高溫下，能夠實現超過2000小時的穩定循環，且極化電壓始終保持平穩，未出現短路跡象。與之對比，使用傳統液態電解質的電池在相同條件下，往往在數十或數百小時內即因嚴重枝晶和副反應而失效。

　　組裝成的完整鋅離子電池(如與二氧化錳或釩基正極匹配)同樣表現出色。在高溫循環測試中，電池不僅保持了高容量保持率，庫侖效率(反映充放電可逆性的關鍵指標)也始終維持在接近100%的高水平，證明了整個電化學體系的高度可逆性與穩定性。此外，該電解質還展現出良好的阻燃性能和寬溫域工作能力，進一步提升了電池的安全邊界與應用場景適應性。

　　深遠影響：為規模儲能打開新窗口

　　這項研究的突破性意義遠不止于一個材料的創新：

　　突破溫度禁區：它直接拓寬了水系鋅電池的工作溫度范圍，使其能夠適應炎熱地區、夏季戶外或特定工業環境等場景，為全氣候應用掃清了關鍵障礙。

　　提升本征安全：通過“鎖水”和固態化設計，進一步消除了電解液泄漏、揮發等風險，鞏固了水系電池的安全優勢。

　　降低成本與工藝難度：凝膠電解質便于封裝，可適配更簡單的電池制造工藝，同時其原材料成本可控，有利于推動大規模儲能系統的降本。

　　提供普適性思路：“濕砂”這一結構化電解質的理念，不僅適用于鋅電池，也為其他面臨類似界面挑戰的水系金屬電池(如鉀、鈣離子電池)提供了新的技術啟發。

　　結語

　　中國科學院大連化物所的這項研究成果，宛如一把精心鍛造的“鑰匙”，解開了長期禁錮水系鋅電池的“高溫鎖”。它巧妙地將自然智慧轉化為科技解決方案，通過“濕砂”電解質這一創新設計，實現了對水分子和離子沉積行為的精準調控。這不僅標志著我國在高安全儲能材料基礎研究方面取得的又一重要進展，更為推動水系鋅金屬電池從實驗室走向電網儲能、備用電源、輕型電動車等廣闊市場，注入了強大的動力。隨著后續工程化優化與產業鏈協同開發的深入，耐高溫、長壽命的水系鋅電池，有望在構建新型電力系統、實現綠色可持續發展的宏偉藍圖中，扮演越來越重要的角色。

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