基于上述背景，電子科技大學賈春陽教授團隊提出了一種具有“鎖水效應”的水合共晶溶劑(HES)作為電解質(zhì)，以實現(xiàn)可在所有氣候(?45～70 °C)中使用的水系鋅金屬電池。BF4?陰離子不僅可以與具有雙極位點的琥珀腈(SN)分子配合，通過建立氫鍵將質(zhì)子“鎖定”在水分子中，還可以原位形成高效的含氟SEI以實現(xiàn)穩(wěn)定的界面穩(wěn)定性。鎖水HES破壞了原始水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡，將凝固點拓寬到接近零下100°C，并將電化學窗口拓寬至3.2 V以上。這種電解質(zhì)運用到克級負載的圓柱型鋅電池中后，在400 mA電流下實現(xiàn)了70 mAh的可逆放電容量，在智能家居供能、電網(wǎng)儲能等領域顯示出巨大的應用潛力。相關(guān)成果以題為“Extending temperature windows of practical zinc batteries by water-locking hydrated eutectic solvents”發(fā)表在國際期刊《Energy Storage Materials》上。
圖3.?鋅片界面及鎖水電解質(zhì)電化學性能分析鋅片在(a)水系電解質(zhì)和(b)HES中循環(huán)后的表面SEM。在(c)水系電解質(zhì)和(d)HES中循環(huán)后SEM的交叉剖面。(e) 在TOF-SIMS濺射體積中，在HES中循環(huán)后，Zn片的C2HO?、CH2?、ZnF?和Zn2O?分布的三維視圖。(f) 兩種電解質(zhì)長循環(huán)的CE測試比較。(g) 0.5 mA cm-2/0.25 mAh cm-2下的對稱電池壽命測試。(h) 阿倫尼烏斯曲線。▲飛行時間二次離子質(zhì)譜用于探索SEI中組分的分布，在HES中循環(huán)后的Zn外層是SN反應得到的小分子有機組分，內(nèi)部由無機成分組成。這種多組分、梯度分布的SEI結(jié)構(gòu)有望促進Zn2+的高效傳輸。
圖4.?高低溫電化學性能試驗
(a) -15 °C下的CE測試比較。(b) -15 °C低溫下的對稱電池壽命測試(0.5 mAh cm-2/0.25 mAh cm-2)。(c) 在-25 °C(0.1 mAh cm-2/0.1 mAh cm-2)的低溫下進行對稱電池壽命測試。(d) 60 °C 下的 CE 測試比較。(e) 60 °C 高溫下的對稱電池壽命測試 (0.5 mAh cm-2/0.25 mAh cm-2)。(f) 兩種電解質(zhì)的配位數(shù)隨溫度的變化。(g) Zn2+低溫電鍍機理圖(左：水系電解質(zhì)，右：HES)。(h) 高溫下Zn2+電鍍機理圖。▲在較低的溫度下，水電解質(zhì)中的H2O與相鄰的水分子形成額外的氫鍵，形成冰晶，從而阻礙了Zn2+的擴散和電鍍過程。而HES在低溫下具有特殊的溶劑化結(jié)構(gòu)，水分子之間的氫鍵會被SN或BF4?阻斷，從而抑制其凍結(jié)過程，保證Zn2+的穩(wěn)定電鍍/玻璃過程。在高溫下，水引起的腐蝕將成為限制水系二次電池壽命的主要因素。溫度升高促進H2O的分解、腐蝕和ZnOHF等副產(chǎn)物的產(chǎn)生。在HES中，由于H2O的活性受到抑制，因此避免了氣體的產(chǎn)生。同時，SN和陰離子誘導的SEI使界面更加穩(wěn)定。
圖5.?全電池性能測試
(a) 紐扣電池在3 A g?1下的循環(huán)壽命測試。(b) 紐扣電池在0.02 A g?1下的循環(huán)壽命測試。(c) 在1 A g?1下不同溫度下的GCD測試。(d) 紐扣電池在60°C(3 A g?1)下的循環(huán)壽命測試。(e) 紐扣電池在-15 °C(1 A g-1)下的循環(huán)壽命測試。(f) 扣式電池在-45 °C(0.02 A g-1)下的循環(huán)壽命測試。(g) PANI//HES//Zn體系的原位紫外-可見光試驗。(h) 0.4 A時圓柱形電池的GCD曲線。(i) 與商用扣式電池的低溫驅(qū)動試驗。
