第一作者：李涛

通讯作者：黄富强教授、林天全教授

通讯单位：上海交通大学材料科学与工程学院、上海交通大学张江高等研究院

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202501183

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上海交通大学团队在Angewandte Chemie International Edition发表研究，开发了界面增强局部高浓度电解质（ILHCE），通过引入1-乙基-3 -甲基咪唑阳离子（emim+）和 1,4-二氧六环（DX），构建了从本体到界面的梯度稀释效应，形成富阴离子、贫水的双电层结构。该电解质在低负正容量比（N/P=1.77）和低电流密度（0.2 A g⁻¹）下，使 Mn₀.₅V₆O₁₃ǀZn 全电池循环 300 次后容量保持率达 80%，为锌电池的实际应用提供了高效解决方案。

背景介绍

可充电锌金属电池（RZMBs）因其高容量和成本效益，在储能领域具有广阔的应用前景。然而，其商业化进程受到诸多挑战，包括锌枝晶生长、寄生反应以及正极退化等，尤其是在低电流密度和低负正（N/P）容量比条件下，这些问题更为突出。

电极与电解液之间的界面结构，即双电层（EDL），是导致上述问题的关键因素之一。在典型的稀水溶液电解质中，Zn²⁺离子与水分子强烈配位，形成 Zn(H₂O)₆²⁺溶剂化鞘层，这不仅减缓了去溶剂化动力学，导致锌枝晶生长，还引发了析氢等副反应，加剧了正极结构的退化。

为解决这些问题，高浓度电解质（HCEs）和局部高浓度电解质（LHCEs）被提出。然而，HCEs 成本高昂、粘度高且离子电导率低，LHCEs 则依然需要高盐浓度，限制了其实际应用。因此，开发一种既能保持高浓度电解质的有益结构，又能降低成本、提高离子电导率的新型电解质迫在眉睫。

研究出发点

1）界面与本体协同调控策略：通过 emim⁺ 阳离子与 DX 的相互作用，将 DX 引入双电层，形成从本体到界面的稀释效应，构建富阴离子、贫水的 EDL 结构，加速Zn²⁺传输并抑制副反应。

2）新型电解质设计：ILHCE 由Zn (OTf)₂、emimOTf 和体积比 1:1 的DX/水组成，兼具高离子电导率和低盐浓度，解决传统 HCEs/LHCEs 的成本与性能矛盾。

3）多维度表征验证：通过 NMR、拉曼光谱、分子动力学（MD）模拟和原位电化学测试，证实 ILHCE 中 DX 不参与Zn²⁺溶剂化，而 emim⁺ 引导 DX 进入双电层，形成稳定的阴离子主导界面。

图文解析

通过多种谱学手段和模拟分析 ILHCE 的分子间相互作用及溶剂化结构。ILHCE 通过 emim⁺-DX 相互作用构建了富阴离子、贫水的溶剂化结构，促进 Zn²⁺去溶剂化并抑制水参与副反应。

图1. 界面增强的局部高浓电解液的溶剂化结构表征。

MD 模拟在不同电场下 ILHCE 的 EDL 结构快照，显示了电极界面emim⁺、DX 和 OTf⁻的分布以及 H₂O 的去除。通过弛豫时间分布对比了 ILHCE 与基础电解质中 Zn²⁺扩散和电荷转移的稳定性，表明 ILHCE 具有更稳定的 EDL 结构。最终，通过分子动力学模拟与电化学分析解析ILHCE 在电极界面的 EDL 结构及其稳定性。ILHCE 的 EDL 结构通过静电屏蔽和溶剂稀释效应，优化离子传输动力学，抑制界面副反应。

图2. 界面增强的局部高浓电解液的双电层结构

多种方式表征了ILHCE 诱导形成的 SEI 层的形貌、机械强度及化学组成ILHCE 通过富阴离子 EDL 诱导形成高机械强度、离子导电的 SEI 层，有效抑制锌枝晶和副反应。

图3. 界面增强的局部高浓电解液衍生的SEI性质

原位光学显微镜图像对比了 BE 和 ILHCE 中锌沉积的形貌，ILHCE 中锌沉积致密、薄且无明显气泡，而 BE 中锌沉积多孔且有大量气泡。对称电池在不同放电深度（DOD）下的循环稳定性测试表明，ILHCE使得锌负极在 DOD 为 20%、50% 和 80% 时均表现出长循环寿命。同时，库仑效率测试表明ILHCE 的平均 CE 达 99.65%，远高于 BE。ILHCE 通过优化 EDL 和 SEI 结构，显著提升锌阳极的可逆性和抗枝晶能力。

图4. Zn 负极的电化学可逆性

通过自放电分析对比了基于 ILHCE 与 BE 电解液的全电池的容量保持率，ILHCE 具有更好的抗自放电性能。倍率性能测试显示 ILHCE 基全电池在不同电流密度下均具有更高的放电容量。循环稳定性测试表明，ILHCE 基全电池在低 N/P 比为 1.77、0.2 A g⁻¹ 的条件下循环 300 次后容量保持率达 80%。ILHCE 通过稳定正负极界面，实现了高面容量正极和低 N/P 比全电池的长循环稳定性，接近实际应用需求。

图5. 全电池的电化学性能

总结与展望

本研究开发的界面增强局部高浓度电解质（ILHCE）通过 emim⁺阳离子对 DX 稀释剂的牵引作用，成功构建了从本体到电极界面的全面稀释效应，形成了富阴离子、贫水的双电层结构。这种结构显著增强了 Zn²⁺的传输动力学，抑制了锌枝晶生长和副反应，促进了稳定、高机械强度的 SEI 层的形成。电化学性能测试表明，ILHCE 在锌阳极的可逆性和全电池的循环稳定性方面表现出色，尤其是在低 N/P 比和低电流密度条件下，为水系锌金属电池的实际应用提供了一种高效、稳定的电解质解决方案。此外，ILHCE 的设计理念为其他电池体系的电解质开发提供了有价值的参考，有望推动下一代储能技术的发展。未来的研究将进一步优化ILHCE 的组成和性能，以实现更高能量密度的锌基储能系统。

课题组介绍

黄富强教授：上海交通大学讲席教授，国家级高层次人才，中国化学会会士，担任中国化学会能源化学专业委员会主任、中国晶体学会陶瓷专业委员会主任。长期从事无机固体化学与新能源材料与器件研究，以通讯/第一作者在Science、Nat. Energy、Nat. Phys.、Nat. Catal.等期刊发表SCI论文700余篇，H因子103，他引超45000次；获授权发明专利140余项（国外15项）。主持科技委重点项目、国家重点研发计划、科技部973和863项目、国家自然科学基金（杰青/重点/面上）以及产业化等项目40余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖1项（2017年）、上海市自然科学一等奖2项目（2016、2019年）。

林天全教授：上海交通大学材料学院教授/副院长，国家级青年人才，主要从事高功率储能电池材料与器件研究。共发表SCI论文110余篇，被引用15,000余次，H因子55；其中以第一或通讯作者在Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际一流期刊上发表论文70余篇，单篇最高他引2500余次。获得授权发明专利16项；其中6项实现成果转让。获国家自然科学二等奖（2017年/R3）、上海市自然科学一等奖2项（2019年/R2、2016年/R3）、中国科学院卢嘉锡青年人才奖等科技奖励。主持了国家重点研发计划、国家自然科学基金（优青/面上/青年）、上海市基础研究特区计划、上海市青年拔尖人才计划、上海市青年科技启明星计划、中国科学院青年创新促进会优秀会员等省部级以上课题十余项。

原文信息

Tao Li, Hange Yang, Xinji Dong, Hexian Ma, Jinghua Cai, Chenyu Wei, Tao Zhang, Shicong Zhang, Fuqiang Huang, and Tianquan Lin. Co-Regulation of Interface and Bulk for Enhanced Localized High-Concentration Electrolytes in Stable and Practical Zinc Metal Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202501183.

https://doi.org/10.1002/anie.202501183