马里兰大学王春生教授团队最新研究成果:探索水系锌电池的电解质设计

研究背景

水系锌电池（AZBs）因其高安全性、低成本、环境友好性受到广泛关注，但其商业化进程受到锌电极低可逆性和弱循环寿命的限制，主要原因在于析氢反应（HER）和不均匀的Zn沉积。HER由Zn²⁺溶剂化壳层中水的还原引起，会生成氢气，加速Zn表面副反应；Zn沉积的非均匀性则易导致枝晶生长，进而损坏电极界面。

成果简介

基于此，马里兰大学王春生教授团队提出了一种基于 Et（30） 极性参数 的水系锌电池电解液优化策略，实现了高可逆性Zn电极的构建，并显著提升了电池的循环稳定性。该研究以 “Electrolyte design for aqueous Zn batteries” 为题，发表在《Joule》期刊上。研究团队通过 Et（30） 极性参数精准筛选溶剂，优化Zn²⁺溶剂化结构，有效抑制析氢反应（HER）和Zn枝晶生长，显著提高Zn电极的可逆性。

研究亮点

1、首次引入Et（30）极性尺度作为溶剂选择新标准，优化Zn²⁺溶剂化结构，实现高效 HER 抑制，提高Zn的沉积均匀性，进而提升电池稳定性。

2、通过引入F-添加剂促进ZnF₂保护层的形成，减少 Zn 电极与水的直接接触，降低枝晶生长和析氢副反应，实现5500小时超长循环寿命和99.8%的库仑效率。

3、采用优化电解液的Zn||PANI全电池展现出高达130 mAh/g的比容量，并实现长循环稳定性（1000次循环），为水系Zn电池在储能与可穿戴设备等领域的应用奠定了坚实基础。

图文导读

图1 用于共溶剂电解液设计的 Et（30） 性能参数

图2含0.5 m氟基添加剂电解液的性能评价

图3 F基SEI的形成

图4 基于本研究中电解液的Zn||PANI电池性能

总结展望

本研究提出了一种基于 Et（30） 极性参数 的电解液优化策略，旨在提升 水系锌电池（AZB） 的性能，特别是解决锌电极的低可逆性和短循环寿命问题。研究显示，Et（30） 极性尺度 与 Zn 电极的 库仑效率（CE） 之间存在 火山形关系，即最佳 Et（30） 范围（约 45）能有效提高 Zn²⁺ 溶剂化结构的稳定性，减少析氢反应（HER）和 Zn 枝晶生长，进而提升电池的可逆性和循环稳定性。同时，研究引入了 F-基添加剂，促进了 ZnF₂ 固态电解质界面层（SEI） 的形成，进一步抑制了 HER 和枝晶生长。使用优化电解液的 Zn||PANI 全电池 展示了 高比容量（130 mAh/g） 和 长循环寿命（1000 次以上），并且在不同电流密度下表现出优异的速率能力。此外，电池在低温（0°C）和高温（60°C）下也展现出良好的稳定性。综上所述，本研究提供了新的电解液设计策略，为 水系锌电池的高性能应用，特别是在储能系统和可穿戴设备等领域的应用奠定了基础。

文献链接

Electrolyte design for aqueous Zn batteries. Joule， https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101844.