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万福乐/WANDFLUH
在当今全球能源转型与“双碳”目标驱动下，开发高安全、低成本、长寿命的规模储能技术已成为科研与产业界的共同焦点。水系锌金属电池，因其本质安全、资源丰富、环境友好及理论能量密度高等优势，被视为极具潜力的下一代储能体系之一。然而，其产业化道路长期被一个关键瓶颈所阻碍——高温环境下的严重性能衰减。高温会加剧水的活性和副反应，导致锌负极不可控的枝晶生长与腐蚀，极大缩短电池寿命，这如同为水系锌电池的广泛应用套上了一把“高温锁”。
近日，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队在这一领域取得了突破性进展。他们创新性地设计并制备出一类被称为“湿砂”的结构化凝胶电解质，成功破解了水系锌电池的高温运行难题，为解锁其全气候应用潜力提供了颠覆性的解决方案。相关研究成果已发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上，引起了国内外同行的广泛关注。
直面核心挑战：高温下的“水”之困局
要理解这项突破的价值，首先需直面水系锌电池在高温下的根本困境。与传统使用易燃有机电解液的锂离子电池不同，水系电池以水为电解液溶剂，虽赢得了安全性，却引入了新的烦恼。水分子化学窗口窄，且其活性随温度升高而急剧增强。在高温下：
副反应肆虐：水更容易在电极界面发生分解，产生氢气，并加剧锌负极的腐蚀与钝化。
枝晶失控：锌离子迁移和沉积动力学加快，但若无有效引导，极易形成尖锐的枝晶，刺穿隔膜导致电池短路。
电解液消耗：持续的副反应和蒸发导致电解液干涸，电池性能迅速衰降。
因此，如何在高温下有效“管理”水分子，驯服锌离子的沉积行为，是攻克难关的核心。
灵感源于自然：“湿砂”电解质的巧妙构思
研究团队的灵感来源于常见的自然现象——湿砂。沙粒本身松散，但加入适量水后，却能粘结成型，既保持一定的固体形态，又含有维持离子传输所必需的液态水。受此启发，他们旨在设计一种电解质，既能像固体一样锁住水分子、抑制其有害活性，又能像液体一样保证离子高效传导。
基于这一理念，团队通过精密的分子设计，合成了一种具有三维网络结构的多功能聚合物基体。该基体富含大量特定的亲锌官能团，构成了独特的“湿砂”结构：
“沙粒”骨架：坚固的三维聚合物网络作为支撑，赋予电解质优异的机械强度和尺寸稳定性。
“锁定”的水：网络中的功能性位点通过强氢键等相互作用，牢牢锚定水分子，极大减少了自由水的含量与活性，从根本上抑制了高温下水引发的副反应和蒸发问题。
离子传输通道：被固定的水分子在聚合物网络中形成连续的离子传输通道，确保锌离子能够高效迁移。
智能引导沉积：更为关键的是，这些亲锌位点能优先吸附锌离子，调控其溶剂化结构，在电极界面形成稳定的固态电解质界面膜，并引导锌离子均匀、水平地沉积，有效抑制了枝晶的生长。
卓越性能：高温下的稳定答卷
实验数据有力地验证了“湿砂”电解质设计的成功。研究显示，采用这种新型电解质的锌对称电池，在严苛的60℃高温下，能够实现超过2000小时的稳定循环，且极化电压始终保持平稳，未出现短路迹象。与之对比，使用传统液态电解质的电池在相同条件下，往往在数十或数百小时内即因严重枝晶和副反应而失效。
组装成的完整锌离子电池(如与二氧化锰或钒基正极匹配)同样表现出色。在高温循环测试中，电池不仅保持了高容量保持率，库仑效率(反映充放电可逆性的关键指标)也始终维持在接近100%的高水平，证明了整个电化学体系的高度可逆性与稳定性。此外，该电解质还展现出良好的阻燃性能和宽温域工作能力，进一步提升了电池的安全边界与应用场景适应性。
深远影响：为规模储能打开新窗口
这项研究的突破性意义远不止于一个材料的创新：
突破温度禁区：它直接拓宽了水系锌电池的工作温度范围，使其能够适应炎热地区、夏季户外或特定工业环境等场景，为全气候应用扫清了关键障碍。
提升本征安全：通过“锁水”和固态化设计，进一步消除了电解液泄漏、挥发等风险，巩固了水系电池的安全优势。
降低成本与工艺难度：凝胶电解质便于封装，可适配更简单的电池制造工艺，同时其原材料成本可控，有利于推动大规模储能系统的降本。
提供普适性思路：“湿砂”这一结构化电解质的理念，不仅适用于锌电池，也为其他面临类似界面挑战的水系金属电池(如钾、钙离子电池)提供了新的技术启发。
结语
中国科学院大连化物所的这项研究成果，宛如一把精心锻造的“钥匙”，解开了长期禁锢水系锌电池的“高温锁”。它巧妙地将自然智慧转化为科技解决方案，通过“湿砂”电解质这一创新设计，实现了对水分子和离子沉积行为的精准调控。这不仅标志着我国在高安全储能材料基础研究方面取得的又一重要进展，更为推动水系锌金属电池从实验室走向电网储能、备用电源、轻型电动车等广阔市场，注入了强大的动力。随着后续工程化优化与产业链协同开发的深入，耐高温、长寿命的水系锌电池，有望在构建新型电力系统、实现绿色可持续发展的宏伟蓝图中，扮演越来越重要的角色。
浙公网安备 33010602000006号
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