研究背景：

水系锌金属电池（AZMBs）凭借锌资源地壳丰度高、成本低廉、水系电解质安全稳定性好及理论能量密度高等核心优势，成为大规模储能、便携式电子设备等领域的理想候选技术。然而，Zn²⁺与水分子间极强的离子-偶极相互作用，导致锌负极长期面临三大核心难题：一是脱溶剂化过程不完全，溶剂化鞘层难以彻底解离；二是Zn²⁺扩散动力学迟缓，离子传输效率低下；三是由此引发的锌枝晶随机生长、析氢副反应（HER）加剧及电极腐蚀等连锁反应，严重制约了锌金属电池的循环稳定性、能量转换效率及安全性能。这一系列问题在低温环境下尤为突出，锌电池在0℃以下往往出现容量急剧衰减、循环寿命显著缩短，无法满足寒冷地区储能、极地科考设备供电、低温电子终端等极端环境应用需求。因为低温会进一步强化Zn²⁺-H₂O配位作用，使脱溶剂化能垒显著升高，同时降低离子迁移速率，导致更快的枝晶生长和更剧烈的副反应。

为解决上述瓶颈问题，目前的普遍采用的策略主要有电解液工程（如添加共溶剂、高浓度电解质）和人工界面层（如ZnF₂、碳基涂层）等。但电解液工程存在成本高、电解质粘度增大、低温离子导电性下降等缺点，传统人工界面层则因自身能量壁垒高，无法从根本上调控Zn²⁺界面传输动力学，在低温下Zn²⁺难以实现快速脱溶剂。因此，本文开发一种能协同调控调节[Zn(H₂O)_x]²⁺的离子-偶极相互作用，克服低温下的高能量势垒、加速离子扩散，抑制枝晶生长和副反应的界面调控层，成为推动低温水系锌金属电池实用化的关键突破口。

文章概述：

基于此，德国卡尔斯鲁厄理工学院亥姆赫兹电化学研究所王健研究员、中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究员联合西安理工大学张静副教授及哈尔滨理工大学李会华副教授针对离子偶极子相互作用表现出氢键效应及枝晶生长问题联合攻关，采用钙钛矿型ZnSn(OH)₆（PIC-ZSH）快离子传导界面层，打破离子偶极子相互作用促进界面[Zn(H₂O)_x]²⁺基团解耦，加快了脱溶动力学均匀Zn²⁺通量，抑制锌枝晶的形成及活性水诱导的HER和电极腐蚀。

结合团队研究基础(Adv. Mater. 2025, 37, 2501079；Adv. Mater. 2024, 36, 2402792；Adv. Mater. 2024, 2411601；Adv. Mater. 2023, 35, 2302828; Adv. Funct. Mater. 2025, 2508225；Adv. Funct. Mater. 2023, 2302624; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2305674；Adv. Sci. 2025, e70008)，通过多维度表征与模拟技术解析界面结构演化与脱溶剂化过程，系统解读低温环境中离子-偶极子作用的解离行为及调控机制，揭示了[Zn(H₂O)_x]²⁺脱溶步骤对Zn²⁺界面快速传输和无枝晶沉积的影响机制，为低温长寿命锌金属电池的设计提供了理论指导。

图文导读：

钙钛矿型PIC-ZSH纳米复合材料的形貌和结构特征

SEM和TEM等电镜观察显示PIC-ZSH具有立方晶型结构及形貌，PIC-ZSH的快离子传输特性及氢键效应有利于快速解离Zn(H₂O)₆²⁺溶剂化结构生成自由的Zn²⁺，均匀扩散并连续稳定沉积（图1）。

图1. PIC-ZSH纳米复合材料的形貌与结构特征

PIC-ZSH快离子传导层的“吸附-去溶剂化”行及机制解析

PIC-ZSH@Zn电极（6o）比裸锌（104o）具有更好的亲水性，且对[Zn(H₂O)_x]²⁺基团具有更高的吸附能（8.99 vs. 2.73 eV），说明PIC-ZSH容易破坏离子-偶极Zn²⁺-H₂O相互作用，降低溶剂化鞘层中活性水分子的含量，有利于增强水合Zn²⁺的脱溶从而降低Zn²⁺的扩散空间阻力。同时，由于PIC-ZSH快离子传导层的协同脱溶作用，电极/电解质界面附近的活性水分子被排出，有效抑制了Zn负极上不可逆副反应HER的活性，电极获得更小的腐蚀电流密度(8.2ⅹ10^-4 vs 5.1ⅹ10^-3 mA cm^-2)（图2）。

图2.光谱-电化学-理论模拟联合技术表征去溶剂化行为

PIC-ZSH调控离子传输实现无枝晶Zn负极的稳定电沉积/剥离

PIC-ZSH改性的对称电池具有较低的电荷传递电阻及传质动力学显著增强，说明催化去溶剂化促进了自由Zn²⁺的传输动力，使电池具有较低的形核电位，并且在0oC且高电流密度及高面容量(10 mA cm^-2@2 mA h cm^-2)下，也能够持续沉积/剥离800 h，即使温度降至-8oC仍然可以保持较低过电位。SEM结合in-depth XPS和TOF-SIMS分析表明，PIC-ZSH调控的Zn电极在低温循环后仍具有光滑无枝晶的表面，界面SEI层薄且均匀完整，表明PIC-ZSH调控层的引入有利于重构IHP层，促进Zn金属表面生成薄且坚固的SEI膜。COMSOL模拟电极界面Zn²⁺通量发现PIC-ZSH@Zn电极具有均匀的电场分布及离子通量，这均得益于离子-偶极Zn²⁺-H₂O的快速解耦作用，优化界面去溶剂化，促进锂离子传输均匀界面离子通量，有利于锌的均匀无枝晶沉积（图3和图4）。

图3.PIC-ZSH快离子传导层调控Zn负极的沉积/剥离性能

图4.循环后Zn/电解质界面形貌、成分分析及沉积状态模拟

PIC-ZSH改性的Zn-MnO₂全电池实现优异的低温倍率和循环稳定性

PIC-ZSH@Zn负极与MnO₂正极匹配的全电池表现出优异的倍率性能和循环稳定性，在低温（0oC）下，静置24 h后电池容量保持率为96%，在1 A g^-1下经过1000次循环后容量保持率接近80%，展现出较高的低温应用潜力。与高负载（6.12 mg cm^-2）V₂O₅正极匹配的全电池也展现出优异的倍率性能和循环稳定性。

图5.PIC-ZSH快离子传导层调控Zn-MnO₂全电池的低温电化学性能

研究结论：

基于界面溶剂化结构调控策略，创新性地构建亲锌钙钛矿型快离子传输层（PIC-ZSH）作为界面离子调控剂。通过加速[Zn(H₂O)_x]²⁺脱溶动力学与均匀化离子通量分布，协同抑制锌枝晶生长、析氢反应（HER）及电极腐蚀，实现锌负极的高效稳定沉积。在低温下改性的Zn电极实现99%的超高库伦效率，在10 mA cm^-2、0°C的极端条件下，循环寿命仍高达800h；匹配MnO₂全电池在0°C、1.0 A g^-1条件下循环1000次后容量保持率近80%，凸显其在低温储能场景的应用潜力。

论文信息：

Tuning Desolvation Kinetics with Perovskite-Type Ion-Conductive Modulators toward Low-Temperature Zn Metal Batteries

Wenbin Wang, Xiaomin Cheng, Jing Zhang*, Shuang Cheng, Zhenjiang Cao, Caiyin You, Yongzheng Zhang, Hao Li, Bixian Chen, Qinghua Guan, Yixiang Shi, Huihua Li*, Qingbo Xiao, Hongzhen Lin*, Jian Wang*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202524245

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202524245

期刊介绍：

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