深圳大学崔欢庆、雷耀与新加坡国立大学杨慧英团队 Nano Energy:弱溶剂化局域水盐电解液联合“筛水”碳孔,提升超低温锌离子混合电容性能
- 2026-06-10 14:51:24
深圳大学崔欢庆、雷耀与新加坡国立大学杨慧英团队 Nano Energy:弱溶剂化局域水盐电解液联合“筛水”碳孔,提升超低温锌离子混合电容性能
研究背景 
水系锌离子混合电容器（AZHCs）兼具电池型能量密度与超级电容器型功率特性，但在极寒环境下面临双重瓶颈：一方面，电解液容易冻结，离子迁移率快速下降；另一方面，Zn2+ 在电极界面的去溶剂化过程显著变慢，导致极化加剧、倍率性能与循环稳定性同步受损。 近年来，水盐电解液（WIS）因能够压低冻结点、拓宽电化学窗口而受到重视，但其高盐浓度也会带来黏度升高、低温析盐和传输迟缓等问题。也就是说，单纯依赖“高浓度”并不能真正解决超低温下的动力学难题，如何同时削弱 Zn2+ 的溶剂化束缚、抑制自由水副反应并维持快速传输，成为该领域继续突破的关键。 
内容简介 
针对上述问题，作者提出一种弱溶剂化局域水盐电解液（ws-LWIS）策略：在 Zn(ClO4)2 水系电解液中引入乙腈（AN），同时构建“局域水盐结构”和“弱溶剂化结构”。在这一体系中，Zn2+ 的溶剂化构型由传统的“六配位水合锌离子”演化为“含高氯酸根参与配位的弱溶剂化结构”，既减少了配位水数量，也降低了界面去溶剂化能垒。 作者进一步设计了具有 hydrated-ion-sieving 特征的分级多孔碳纳米笼（HPC-NC）电极，使孔道结构与优化后的 Zn2+ 溶剂化结构相匹配，从而同步提升离子进入孔道、吸附/脱附和快速充放电能力。依托“电解液-界面-孔结构”三位一体的协同设计，该体系在 -50 ℃下实现了 0-2.5 V 的宽电化学窗口、1 A g^-1 下 165.1 mAh g^-1 的比容量，以及 143.3 Wh kg^-1 的能量密度。 亮点数据： 电解液冻结点由 -43 ℃降至 -91 ℃；自由水比例由约 62% 降至约 44%；-50 ℃下全电池能量密度达到 143.3 Wh kg^-1；10 A g^-1 循环 3000 次后容量保持率为 88.2%。 
图文导读 
这项工作的核心并不只是“往水系电解液里加一种有机助剂”，而是通过乙腈同时重构溶剂化壳层和氢键网络，再借助孔结构匹配的碳纳米笼电极，把低温下最棘手的传输、去溶剂化和枝晶问题一并处理。作者由此把超低温储能问题，从单一“防冻”思路推进到“电解液-电极协同设计”的层面。 
图1给出了 ws-LWIS 的关键化学基础。分子动力学与 DFT 结果表明，引入乙腈后，Zn2+ 的局域溶剂化结构由“六配位水合锌离子”转变为“含高氯酸根参与配位的弱溶剂化结构”，即部分配位水被高氯酸根取代。这样一来，Zn2+ 从溶剂壳中脱出所需的总能量由 6.01 eV 降至 5.53 eV，界面去溶剂化更容易发生；同时，进入电极界面的活性水分子减少，从源头上减轻析氢反应和副反应。作者实际上是通过重构第一配位层，直接改写了低温 Zn2+ 的反应路径。 图2进一步解释了为什么这种体系能在极低温度下保持流动性与电化学活性。ws-LWIS 中自由水比例由约 62% 降至约 44%，强氢键占比由 34% 降至 25%，弱氢键占比则升至 44%，说明乙腈有效打乱了原本有序的水氢键网络。差示扫描量热显示，电解液冻结点从 5 M WIS 的 -43 ℃进一步压低至 -91 ℃，在 -70 ℃仍保持液态；与此同时，电化学稳定窗口也较 WIS 扩展了约 0.2 V。换句话说，作者不仅让电解液“冻不住”，还让它在低温下“更好用”。 图3展示了界面行为改善带来的直接结果。在 -50 ℃、1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2 条件下，采用 ws-LWIS 的 Zn||Zn 对称电池可稳定循环约 1150 h，而 WIS 体系约 20 h 即出现短路；即使电流密度提升到 5 mA cm^-2，ws-LWIS 仍保持良好稳定性。原位光学观察和形貌分析表明，传统 WIS 中 Zn 沉积逐步粗化并形成枝晶，而 ws-LWIS 中沉积层更均匀、极化更小，枝晶被明显抑制。也就是说，弱溶剂化并不是单纯提升传输速度，而是同步优化了沉积动力学与界面稳定性。 图5对应的是器件层面的最终表现。配合具有 hydrated-ion-sieving 特征的 HPC-NC 分级多孔碳纳米笼电极后，全电池在 -50 ℃下 1 A g^-1 可实现 165.1 mAh g^-1 的比容量，3 A g^-1 时仍可保持 0 ℃容量的 81.4%。更关键的是，该器件在 -50 ℃下获得了 143.3 Wh kg^-1 的能量密度和 2.5 kW kg^-1 的功率密度；即便功率提升到 25 kW kg^-1，能量密度仍有 66.5 Wh kg^-1。循环方面，10 A g^-1 下 3000 次后容量保持率为 88.2%，袋式全电池也展现出稳定工作能力，说明这一路线已经具备从材料体系走向器件验证的说服力。 
总结与展望 
这项工作真正有价值的地方，在于它没有把“低温失效”简单归结为冻结问题，而是把溶剂化结构、氢键网络、界面去溶剂化以及电极孔道匹配放在同一个框架下重新设计。作者通过 ws-LWIS 电解液与 HPC-NC 电极的协同，既降低了 Zn2+ 的界面脱溶剂化门槛，又抑制了活性水副反应和枝晶生长，从而在 -50 ℃这一苛刻条件下同时拿到了高能量密度、高功率密度和长循环稳定性。 从应用角度看，这一策略为极地环境、近空间储能、低温启动以及其他极端工况下的水系储能系统提供了新的设计范式。未来若能进一步在高面载器件、规模化制备以及更复杂工况验证上持续推进，这种“弱溶剂化电解液+孔结构匹配电极”的协同路线，有望扩展到更多水系锌储能与混合电容体系。 
第一作者：Yingmeng Zhang，Song Yao（共同一作）
通讯作者：Huanqing Cui，Hui Ying Yang，Lei Yao
通讯单位：深圳大学；新加坡国立大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.111720
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