第一作者：凌苇博士

通讯作者：黄燕教授

通讯单位：哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院、湖南农业大学化学与材料科学学院

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60125-5

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固态电解质在研发高电压、长寿命锌基电池领域潜力巨大，但其应用受制于离子电导率较低和界面电压极化显著等问题。本文通过三元共晶电解质与乙氧基化三甲基丙烷三丙烯酸酯的交联聚合反应，原位制备了一种非易燃固态共晶电解质。得益于低共熔溶剂与聚合物骨架间的分子间相互作用，该电解质在室温下展现出3.94×10⁻³ S/cm的理想离子电导率。搭载该电解质的对称电池在锌利用率达 80%、电流密度为8.0 mA/cm² 的严苛条件下，可稳定运行1700小时，性能超越传统固态及多数液态锌电池体系。更重要的是，通过溶剂化结构调控，该固态共晶电解质可将锌基全电池的放电电压平台提升至2.1 V，并在室温下表现出优异的倍率性能与循环稳定性，为高电压、长寿命固态电池的发展提供了新路径。

背景介绍

作为传统锂离子电池的理想替代方案，锌基电池因其成本低、本质安全和环境友好等特性备受关注。然而，其放电电压以及锌电极在深度放电条件下的可逆性，是实际应用中的关键瓶颈。具有宽电压窗口的固态电解质不仅能保障高电压锌基电池的实现，还能有效缓解枝晶生长和副反应导致的库仑效率低等问题。然而，这类电解质通常表现出离子电导率低和界面相容性差的缺点，导致全电池在放电时电压显著下降，尤其是在高锌利用率和大电流密度条件下。更重要的是，在给定正负极的情况下，几乎很少发现固态电解质能够提升电池的电压平台。尽管有研究报道了超过2.0 V的高放电平台，但其依赖于高电位正极或低电位负极的选择，而非电解质本身的作用。迄今为止，固态锌基电池的放电电压平台很少超过1.9 V，且难以在锌利用率超过50%、电流密度超过 5.0 mA/cm² 的条件下循环。在各类固态电解质中，固态共晶电解质具有离子电导率相对较高、安全性好以及热/化学稳定性优异等优点。但遗憾的是，其在室温下仍表现出不理想的离子电导率（低于10⁻³ S/cm）和低锌离子迁移数（0.2-0.3），这主要由于共晶电解质的强离子相互作用、高黏度性及受限的离子传导路径共同导致的。

研究出发点

1）解决固态锌基电池的电压瓶颈与可逆性难题。探索通过电解质设计提升放电平台电压，并实现高锌利用率（如80%）和高电流密度（如8-10 mA cm⁻²）下的稳定循环。

2）克服固态共晶电解质的离子传导与界面兼容性缺陷。通过分子设计（引入三元共晶溶剂与聚合物交联）构建高离子传导率（3.94×10⁻³ S cm⁻¹）、高锌离子迁移数（0.6）的固态共晶电解质，优化界面稳定性以抑制副反应和枝晶生长。

3）揭示溶剂化结构调控对电池电压的提升机制。通过MD和DFT揭示共晶电解质中锌离子溶剂化调控与充放电平台的关系，建立相应理论模型，并通过全电池实验验证该机制对不同正极材料的普适性。

图文解析

通过混合溶剂的共晶效应与原位聚合策略，展示了从液态共晶电解质到固态共晶电解质的制备过程，结合热稳定性与安全性表征，解决了传统电解质溶剂蒸发和安全隐患问题，为固态锌电池的实际应用奠定基础。

图1. 固态共晶电解质的制备与热性能

通过电化学性能测试与理论计算，系统揭示了PSNE的高离子传导（3.94×10⁻³ S cm⁻¹）、高 Zn²⁺迁移数（0.60）及宽电压窗口（2.85 V）源于固态电解质的共晶效应、聚合物骨架的强锚定作用及分子间多重相互作用，为固态电解质设计提供了实验与理论依据。

图2. 固态共晶电解质的电化学性能与机理分析

通过对称/非对称电池测试、形貌与结构表征，证实PSNE通过高离子传导性（3.94×10⁻³ S cm⁻¹）和强界面稳定性，实现了锌电极在80%利用率、最高8 mA cm⁻² 电流密度下的超长循环（1700 小时），优于传统固态及多数液态锌电池。

图3. 室温下固态共晶电解质对锌金属沉积行为的影响

通过普鲁士蓝和双离子电池体系，均证实固态共晶电解质可显著提升锌电池充放电电压平台，其放电平台最高可至2.1 V，优于多数文献报道的锌基电池，且在室温下保持优异的倍率性能和长循环稳定性。

图4. Zn|PSNE|MnHCF全电池的电化学性能

图5. Zn|PSNE|NVPOF全电池的电化学性能

通过MD模拟和DFT计算，阐明了PSNE中NMA调控Zn²⁺溶剂化结构、进而升充放电电压的机制，拓宽了“电池电压由电极材料决定”的传统认识，为通过电解质设计提升电池放电平台提供了理论基石。

图6. 通过溶剂化调控提升锌电池电压的理论计算

总结与展望

本研究聚焦固态锌基电池界面反应稳定性差和输出电压低这两大核心瓶颈问题，通过创新性固态电解质设计，实现了固态锌电池放电电压平台提升至2.1 V，且这一提升在聚阴离子、普鲁士蓝等不同正极体系中均表现出良好的普适性。在离子传导与界面稳定性方面，得益于聚合物骨架对SN和NM 的强锚定作用，固态共晶电解质在25 ℃时展现出高达3.94×10⁻³ S cm⁻¹ 的离子电导率，同时有效稳定锌电极界面反应。搭载该电解质的对称电池在80%锌利用率、8.0 mA cm⁻²电流密度下，可稳定运行长达1700小时，优于传统固态及多数液态锌电池。研究通过分子间相互作用调控与界面优化策略，成功突破传统锌基电池在电压平台、循环稳定性等方面的性能瓶颈，为高电压、长寿命固态电池的发展提供了新路径。

通讯作者简介

黄燕教授简介：哈工大（深圳）教授、博士生导师。入选国家级青年项目，广东省杰出青年科学基金获得者，深圳市青年科技奖获得者。迄今为止已在Nat. Protocols, Sci. Adv., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等国际权威期刊发表论文150余篇，被Nat. Energy, Nat. Rev. Mater., Chem. Rev. 等国际期刊评价和引用17000余次，多篇论文被入选为ESI高被引论文，H指数62。

第一作者介绍

凌苇教授简介：湖南农业大学校聘教授、硕士生导师、“神农学者青年英才（B类）”引进人才。主要从事锌基电池、液流电池关键材料与器件研究，以第一或通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等国际权威期刊发表论文20余篇，H指数25；申请及授权专利6项，转让专利成果3项；主持及参与国家级、省部级等科研项目7项；担任Energy Materials（IF=11.8）期刊青年编委。

课题组介绍

课题组立足于开发高安全的电化学能源材料和柔性及可穿戴能源器件，主要研究高性能水系电池材料、固态电池材料、燃料电池催化剂、热化学电池材料，并设计开发柔性可穿戴高安全电化学能源器件。从材料合成到器件制备，结合物理表征、电化学表征、理论计算和实用模型验证，横跨无机化学、有机化学、高分子材料、电化学等多门学科，全面分析与研究能源材料与器件的性能特点与工作原理。

课题组主页： http://flexenergy.hitsz.edu.cn/

原文信息

Wei Ling, Funian Mo, Xiongwei Wu, Xianxiang Zeng, Jian Xiong, Yan Huang*, Solid-state eutectic electrolyte via solvation regulation for voltage-elevated and deep-reversible Zn batteries, Nature Communications 16(1) (2025) 4868.