通过介电常数工程定制溶剂化化学以实现低温稳定水系锌电池

为何寒冷环境下的电池至关重要

从冬季的电动汽车到极地的远程传感器，我们越来越依赖能在远低于冰点条件下工作的可充电电池。许多安全的水基锌电池在寒冷中会停止工作或快速失效：离子移动变得过慢、形成类冰结构，金属表面也变得不稳定。本文报道了一种重新设计电池内部液相的新方法，使其即便在–50 °C仍能保持高效和长寿命，而无需使用奇异的盐类或易燃溶剂。

修复一个隐蔽的薄弱环节

水系锌金属电池具有吸引力，因为锌资源丰富、成本低且比锂更安全。然而，这类电池存在三种交织的问题：可能短路的针状锌“枝晶”、腐蚀电极的副反应产氢，以及低温下离子运动的显著减慢。以往的大多数解决方案尝试增加大量盐或构建特殊的富水混合物以防止结冰。尽管有一定效果，这些方法常常产生强腐蚀性的液体，随着时间损害锌。作者转而关注液体混合物的一个更微妙的属性——介电常数，它描述溶剂屏蔽电荷的能力，从而控制离子相互吸引或排斥的强弱。

重新设计液相环境

该团队的策略是通过将普通水（具有很高的介电常数）与乙酸乙酯（一种常见的有机溶剂，介电常数远低于水）混合来“调谐”介电常数。通过将它们与适当比例的高氯酸锌混合，他们把电解质置于中等介电常数的环境，而非极端一端。详尽的实验和计算机模拟揭示了分子层面的演变。乙酸乙酯打破了水通常刚性的氢键网络，阻止其结晶成有序结构，从而在–50 °C仍保持液体的流动性。同时，较低的介电环境促使锌离子与高氯酸根阴离子更趋近配对，而非完全分离，微妙地重塑了锌在电池中移动时周围的溶剂与阴离子的排列。

促进离子迁移并保护表面

这种定制的液相结构在锌表面产生两大后果。首先，锌离子在到达电极时更容易脱去周围分子，这对实现平滑的金属沉积和剥离至关重要。电荷传递能垒的测量和计算验证了混合溶剂降低了这一“去溶剂化”步骤的能量成本。其次，重排的离子对和乙酸乙酯的存在促成了一层薄而坚固的保护层——固体电解质界面（SEI）的形成。通过光谱、显微与深度剖析技术，作者表明该SEI由无机的锌–氧和锌–氯化合物与源自乙酸乙酯分解的富碳有机片段交织组成。外层有机富集区域阻隔水并抑制产氢，内层无机区域则引导锌离子形成均匀、致密的沉积，而非随机的枝晶生长。

在极端低温下保持强劲

由于这种新型电解质维持了较高的离子电导率并能形成耐久的SEI，整组电池在严苛条件下表现大不相同。采用该工程化液体的对称锌–锌电池可在室温下连续电镀与剥离锌超过10个月而不失效，并能在–50 °C下运行数千小时。相比之下，使用传统纯水电解质的电池迅速失效，表现出不规则沉积和明显的副反应迹象。当与导电聚合物正极（如聚苯胺）配对时，采用优化混合物的完整锌电池在室温和–50 °C下均能提供超过10,000次充放电循环的稳定储能，同时保持高效率与容量。作者还展示了实用的软包电池，在约–50 °C条件下仍能可靠为设备供电。

这对未来设备意味着什么

通俗地说，这项研究表明，谨慎调整电池液相的“极性”可以控制水与离子的行为，将一个易碎、易冻结的体系转变为在寒冷中仍然快速、稳定且安全的系统。通过用简单的共溶剂工程化介电常数，研究者打破了类冰的水结构，加速了离子运动，并促使电池在锌表面自发形成保护性“皮”。这种介电常数工程的理念为设计防冻水系电池提供了通用蓝图，有望在地球上一些最寒冷的环境中为电子设备、车辆和电网储能提供可靠动力。

引用: Zhu, X., Wang, Z., Zhang, T. et al. Solvation chemistry tailored via dielectric constant engineering for stable low-temperature aqueous zinc batteries. Nat Commun 17, 3170 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69740-2

关键词: 水系锌电池, 低温能量存储, 电解质设计, 介电常数工程, 固体电解质界面