通过电解质设计实现低温水性锌/铜-硫混合电池

为世界最寒冷的角落供能

随着我们的能源系统越来越依赖风能和太阳能，我们需要能够在各种气候条件下安全储存大量电能的电池。大多数现有的水基（亲水）电池在温度远低于零度时表现不佳，尤其是在我们还要求高能量密度的情况下。本文研究表明，通过对电池液态内部——电解质——的巧妙重设计，可以开启一种新型锌–硫电池，使其在极端寒冷条件下仍能工作，可能为偏远电网、高海拔站点及其他恶劣环境提供电力。

为何普通水性电池会“被冻住”

水性电池的吸引力在于它们使用水而非易燃有机溶剂，从而更安全、更便宜且更环保。然而，它们面临两大难题：每公斤的能量常常有限，而且在低温下性能会崩溃。许多先进的耐寒设计依赖正极仅进行离子嵌入/脱嵌，这使得容量偏低，或通过加入大量惰性防冻添加剂来避免结冰，但这会稀释能量密度。相比之下，硫能够存储远超过常见电极材料的电荷，但到目前为止，基于硫的水性电池多依赖易在接近0 °C时结冰或变得迟滞的硫酸铜溶液，因此不适合高山、深海或太空等深寒环境。

重塑电池的液态核心

作者通过用四氟硼酸铜溶液Cu(BF4)2取代传统的硫酸铜溶液来解决这个问题，并将其精细调至3.5摩尔/升的浓度。在该浓度下，混合物的行为近似于液态玻璃：不易结晶，显示约−115 °C 的很低玻璃转变温度。关键是，它仍能很好地传导离子，在−60 °C时保持约5.16毫西门子/厘米的显著离子电导率——可与已报道的最佳低温电解质相抗衡。实验与计算模拟揭示了原因：BF4⁻阴离子与水分子强烈相互作用，破坏了水分子之间常见的氢键网络，使得形成冰样结构变得更加困难，同时仍允许离子移动。

新电解质如何加速反应

除了防止结冰，Cu(BF4)2溶液还使电池内部的反应更快。当与载于导电碳纳米管上的硫正极结合时，它比使用硫酸铜的可比电池提供更高的容量和功率。即使在非常高的充放电速率下，新体系仍能维持较大容量，且充放电间的电压差仍然较小，表明能量损失低。精细测量显示离子在液/固界面处受到的阻力较小，铜离子在硫电极内扩散更快。模拟表明，BF4⁻阴离子在一定程度上在铜离子周围形成松散的包裹层，这层包裹在靠近电极表面时容易被剥离，从而降低电子转移的能垒并加速整体反应。

在极低温下依然强劲

团队随后将电池置于深寒条件下测试。在−60 °C的铜–硫测试电池中，硫电极在首个循环中展现出很高的电荷存储，并在此后保持大且可逆的容量，同时在相当电流下稳定循环数百次。将该化学体系转化为实用装置时，研究者构建了完整的锌–硫电池，负极为锌金属，并通过阴离子交换膜将分离的铜和锌电解液连接。在−50 °C时，该全电池达到每克活性金属348毫安时的放电容量以及基于两极合计的339瓦时/千克的能量密度——这些数据可与其他最先进的低温水性电池相媲美或超越之。

从实验室电池到实用储能

为探索实际应用潜力，作者还构建了一个流动电池原型，其中电解液存储在罐中并被泵送过电极——这是一种对大规模电网储能有前景的结构。在−30 °C时，该原型表现出高面容量，表明该化学体系具备可扩展性。成本分析显示，硫电极按单位储能计算远比许多竞争者便宜，通过优化隔膜布局还可进一步节省成本。尽管系统仍未能在每次充电时完全将所有硫还原回初始形态，导致一定的效率损失，但这项工作清楚地表明，精心设计电解质可以将高能量、安全性与深冷运行结合起来。对普通读者而言，结论是：在电池的液相部分运用聪明的化学设计，能够把曾经对温度敏感的技术转变为可在我们最需要可靠电力的最寒冷之地使用的稳健能量储备。

引用: Zhou, H., Hu, L., Liu, G. et al. Enabling low-temperature aqueous zinc/copper-sulfur hybrid batteries through electrolyte design. Nat Commun 17, 3167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69742-0

关键词: 低温电池, 水性锌电池, 硫正极, 电解质设计, 储能