近日，澳大利亚阿德莱德大学郭再萍教授（澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士，现已全职加盟香港城市大学）、张仕林研究员团队，通过双电解质盐设计，将界面电解液与体相解耦，独立调控界面水分布，在保留水系体系高抗冻性、快速传导性的同时显著抑制界面副反应、提升锌沉积可逆性，为AZBs的实用化开辟了新路径。2025年9月19日，相关成果以“Decoupled dual-salt electrolyte for practical aqueous zinc batteries”为题，发表在Nature Sustainability期刊上。郭再萍教授、张仕林研究员为论文共同通讯作者，李冠杰博士为论文第一作者。

研究背景

可持续电化学储能材料对电动交通和电网储能的未来至关重要。当前主导市场的锂离子电池受制于资源稀缺、产地集中及环境负担，推动人们探索更具韧性的替代体系。可充电水系锌电池（AZBs）因锌资源丰富、环境友好且体积容量高而备受关注。水系电解质本身安全、经济且具备快速离子动力学优势，但其商业化受到循环寿命短的制约，主要源于不可控的副反应（如析氢反应和腐蚀）及缺乏稳定的电极/电解质界面。近年来，“贫水”电解液工程已成为提升水系锌电池稳定性的核心途径之一，通过调节盐浓度或引入有机共溶剂，可减弱界面水活性、改善Zn²⁺沉积行为并扩展电化学稳定窗口（ESW）。然而，高浓度电解质（HCEs）和有机-水混合电解质（OAHEs）等“贫水”设计虽可有效缓解副反应，但高盐浓度和有机组分会牺牲抗冻性能、离子传导性、可持续性及安全性。

要实现水系锌电池在中长期储能中的广泛应用，理想电解质需同时具备高库仑效率、抑制析氢、支持高负载正极、维持低成本与环境安全，并兼顾宽温适应性。因此，相较于HCEs和OAHEs，中等盐浓度的无机盐水溶液可能是更实用和可持续的选择。然而，单盐电解质中存在HER抑制与抗冻能力难以兼顾的固有权衡，亟需新的电解液设计策略解决这一瓶颈问题。

主要内容

近日，澳大利亚阿德莱德大学郭再萍教授、张仕林研究员团队，通过双电解质盐设计，将界面电解液与体相解耦，独立调控界面水分布，在保留水系体系高抗冻性、快速传导性的同时显著抑制界面副反应、提升锌沉积可逆性，为AZBs的实用化开辟了新路径。

解耦型双盐电解液设计策略

传统单盐电解液在设计中面临一个根本性难题：抑制析氢反应（HER）与降低凝固点往往无法兼顾。这源于阴离子的水合性质对界面与体相水结构的矛盾作用——强水合阴离子（如硫酸根）能稳定界面水分子、有效抑制HER，但也会强化体相水的氢键网络，导致电解液在低温下易结冰；而弱水合阴离子（如高氯酸根）可破坏氢键网络、提升抗冻性能，却难以稳定界面水，从而诱发严重的析氢副反应。

为打破这一固有权衡，作者提出了一种解耦型双盐电解液（DDSE）策略，通过空间分布调控，将两类性质迥异的阴离子分别控制在不同区域：强水合阴离子优先吸附在锌金属表面，构筑稳定的界面层以抑制HER；弱水合阴离子则主要存在于体相中，削弱氢键网络以显著降低凝固点。这种界面-体相“功能分区”设计，使电解液可同时兼具强抑制析氢能力与优异抗冻性。该设计原则基于阴离子在锌表面的不同吸附强度，选择强吸附、强水合的阴离子（如硫酸根）和弱吸附、弱水合的阴离子（如高氯酸根）组合，使其在吸附能的驱动下自然分布于不同区域。此外，弱水合阴离子主导的锌离子溶剂化结构还能提升锌电极的本征电极电位，从热力学层面减弱水的还原驱动力，进一步抑制HER发生。由此，解耦型双盐电解液实现了对界面反应性与体相离子动力学的协同优化，为构建兼具高稳定性和宽温适应性的水系锌电池提供了一条全新途径。

图1：解耦型双盐电解液的设计策略。

抗冻性能及HER抑制效果

作者首先利用FTIR、NMR及SAXS等光谱技术对双盐体系的水分子结构进行了表征，结果表明硫酸锌/高氯酸锌摩尔比为2:8时（ZSO:ZClO 2:8），其水分子结构与高氯酸锌单盐体系（ZClO）高度相似，具有大量的弱氢键结构。因此，该双盐体系保留了ZClO单盐体系的低凝固点（<−40°C）及高离子电导率（134.9 mS cm⁻¹），即便在低温下，也表现出极低的锌沉积过电位。另外，相较于ZSO及ZClO单盐体系，该电解液体系具有更高的锌铜库伦效率、更好的耐腐蚀性，说明双盐电解液实现了抗冻性能与抑制析氢的良好的平衡。

图2：DDSE的物理性能和电化学性能。

随后，作者利用了表面增强红外光谱、双电层电容测定、开尔文力显微镜、XPS等技术，对Zn负极表面的吸附离子进行了测定，结果表明，双盐体系中，Zn电极表面存在大量的硫酸根阴离子，且其以更牢固的双齿螯合结构吸附于表面，而高氯酸根离子则存在于吸附层之外（扩散层及本体电解液层）。吸附于表面的硫酸根阴离子改变了界面水的结构，其强水合能力使界面水分子以强氢键的方式结合，极大地提高了水分子的分解能垒。

同时，作者在双盐体系中观察到了锌电极的电极电位（E_Zn）的升高，相较于ZSO体系（−0.677 V），ZSO:ZClO 2:8体系的E_Zn升高为−0.541  V，有效降低了HER的驱动力。值得注意的是，几种电解液的锌离子浓度相同，因此该电位的提升不遵循传统的Debye–Hückel理论，而是受到Zn²⁺溶剂化层中阴离子的影响，遵循液相马德隆电势（liquid Madelung potential, E_LM）理论。相较于高度电荷集中的硫酸根，高氯酸根是电荷离域的，因此Zn²⁺与高氯酸根之间的库仑力显著低于硫酸根，导致更浅的ELM以及更大的电位上移。在ZSO:ZClO 2:8体系中，Zn²⁺溶剂化层主要由高氯酸根主导，因此相较于硫酸根主导的ZSO体系，其E_Zn显著升高。

以上结果说明，在ZSO:ZClO 2:8 DDSE体系中，由于强水合阴离子的吸附以及E_Zn的升高，锌负极的工作电位落在DDSE的稳定ESW之中，使其得到了比单盐体系更高的库伦效率，这一结论也在一系列符合该设计原则的双盐体系中得到验证。

图3：DDSE稳定Zn负极的机制。

Zn//NaV₃O₈全电池验证

为了满足水系锌电池在高低温场景中的应用，作者选择了具有高容量、快速动力学的NaV₃O₈作为正极材料。由于钒的强水溶性，该电极的循环稳定性不佳，限制了它的实际应用。在ZSO:ZClO 2:8 DDSE体系中，这一问题得到了根本性解决，循环400周后，其容量保持率仍高达99%，而单盐体系中仅为52%。作者随后通过原位同步辐射XRPD、ICP、SEM等技术系统研究了其作用机制，即该电解液适中的pH及对HER优异的抑制能力，快速稳定了溶解于电解液中的钒基物质，并有效防止了负极HER对正极钒溶解的串扰作用。

图4：DDSE中NaV₃O₈正极的电化学性能。

最后，为了进一步增强Zn负极的电极动力学及减少Zn枝晶，作者在ZSO:ZClO 2:8 DDSE中加入了微量（0.2 wt.%）的InCl₃，构筑了亲锌的Zn-In合金层。ZSO:ZClO 2:8-InCl₃ DDSE表现出极高的库伦效率，在−40 °C下平均库伦效率到99.97%，在60%的高锌利用率下稳定工作3600小时。具有高负载（16.4 mg cm⁻²）及低N/P比（1.60）的Zn//NaV₃O₈软包电池稳定循环900周，容量保持率为93%，满荷电状态下，静置30天后仍保留了96%的容量，日自放电率仅为0.13%。同时展现出优异的倍率性能、宽的工作温度区间（−40至+40 °C）。与传统的“贫水”电解液相比，该解耦型双盐电解液在电池性能、成本和环境可持续性方面都具有明显优势。

图5：电解液优化与Zn//NaV₃O₈软包电池性能。

结论

该研究开发了一种集高性能、可靠安全性和成本优势于一体的解耦型双盐电解液，以用于实用化AZBs。此设计的关键在于配对双盐以在界面和体相区域实现阴离子的解耦，实现HER抑制与抗冻能力之间的平衡。强水合的硫酸根阴离子因其强吸附性而聚集在锌/电解质界面，稳定界面水并动力学钝化锌阳极。同时，弱水合、电子离域的高氯酸根阴离子主导体相，破坏氢键网络以降低凝固点，同时将E_Zn上移以增强热力学稳定性。具有低N/P比（1.60）和高面积容量（5.48 mAh cm⁻²）的实用化Zn//NaV₃O₈软包电池表现出仅0.13%的日自放电率，在25 °C下循环900次后容量保持率为93%，在40 °C下循环300次后为91%，在−40 °C下循环3000次无容量衰减。与通过高浓度或有机-水混合电解质的传统“贫水”设计不同，该研究工作的解耦策略产生了一种不可燃、经济且可持续的电解质配方，保留了水系系统的固有优点。该方法为AZBs在智能电网和电动汽车中的实际应用提供了一条清晰路径，进而为各国提供更安全、更可持续的能源。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41893-025-01646-1