近日，海南大学海洋清洁能源创新团队邢振月副教授在能源化学领域Top期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为“Design of Cryogenic Electrolyte with Organic-Free Solvation Structure for Wide-Temperature Zinc Metal Batteries”的研究论文。邢振月副教授为论文第一作者，热带海洋工程材料及评价全国重点实验室史晓东副教授和田新龙教授为论文通讯作者。

水系锌金属电池因其高安全性、低成本和环境友好性，被视为极具潜力的下一代电化学储能体系。然而，锌负极在水系环境中面临枝晶生长、析氢反应、腐蚀及钝化等问题，严重制约电池的循环寿命和库伦效率。此外，传统水系电解液的工作温度范围狭窄，在低温下易凝固、离子电导骤降，高温下副反应加剧，极大限制了其应用场景。电解质工程是解决上述问题的关键路径，当前研究聚焦于高浓度“盐包水”电解液、离子液体电解质、凝胶电解质及有机添加剂等体系，然而，这些策略在应对零下低温和高温等严苛工况时仍存在显著挑战：高浓度电解液成本高、粘度大；有机溶剂虽可拓宽液程，但其易挥发性、毒性及与Zn²⁺的强配位作用会导致高的脱溶剂化能垒，进而引发电极界面动力学迟滞、库伦效率下降及枝晶生长等问题。因此，开发一种既能抑制副反应、又能实现宽温域快速离子传输的新型电解液迫在眉睫。

本研究受生物抗冻机制启发，选取具有双官能团（羧基和亚氨基）的天然脯氨酸（Pro）分子作为电解液添加剂（P-4）。Pro中丰富的氢键供体/受体可有效破坏水分子间的规则氢键网络，降低电解液冰点，并显著降低自由水和水含量，提高锌负极界面稳定性，抑制析氢腐蚀等副反应；值得注意的是，Pro并不直接参与Zn²⁺的一级溶剂化壳层配位，而是通过与水分子之间的强相互作用减少配位水数量，构建弱溶剂化结构，大幅降低脱溶剂化能垒，提升离子迁移速率，确保电池在−30-60 ℃的宽温范围内仍具备优异电化学性能。实验结果表面，采用P-4电解液的PANI||Zn电池在−30~60 ℃宽温区间内表现出卓越的长循环寿命和高倍率性能，在60 ℃高温和2A g⁻¹高电流密度下，电池可逆容量高达173.6 mAh g⁻¹；在−30 ℃下循环1300圈后容量保持率仍高达93.6%。此外，软包电池在−20 ℃低温环境中实现了超500次的稳定循环，展现出良好的实际应用潜力。

图1 宽温域锌金属电池示意图

该工作得到了海南大学协同创新基金（XTCX2022HYC14）、海南大学高层次人才科研启动基金（XJ2400012968, KYQD(ZR)-23069）、国家自然科学基金（52404316, 22562010）的支持。此外，该论文相关材料表征工作也得到了海南大学皮米电镜中心的支持和帮助。

论文信息：Z. Xing, P. Ye, X. Shi, L. Shan, S. Guo, M. Chen, Y. Xia, Y. Gao, H. K. Thabet, T. F. Altamimi, Z. M. El-Bahy, X. Tian, J. Zhou, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202516974.

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202516974