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  水系鋅電池因其高安全性、低成本及環境友好性，被廣泛認為是新一代儲能技術的重要方向。然而，在低溫環境下，電解液易凍結，導致離子遷移受限和電極/電解液界面接觸不良，從而嚴重制約電池的實際性能。已有研究顯示，通過調控陰離子–水相互作用可以調控水分子間的氫鍵網絡，從而降低電解液冰點，實現一定程度的抗凍。然而，這類方法通常依賴高鹽濃度或特殊陰離子，導致電解液成本較高，且陽離子–水作用在設計中往往被忽視。在低鹽濃度體系中，這種忽視導致難以同時兼顧超低冰點與高離子遷移效率，從而限制了電池在極端低溫下的電化學性能。因此，如何通過陽離子調控水分子間氫鍵，實現兼具低冰點和高離子遷移動力學的水系電解液，仍然是推動鋅電池在超低溫環境下應用的核心挑戰。

  東華大學焦玉聰研究員長期致力于水系電解液與界面結構設計，圍繞低溫可逆電化學體系進行了系統研究，并取得了一系列重要進展（Small 2021, 17, 2103195; Adv. Mater. 2022, 34, 2110140; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215060; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314456; Energy Environ. Sci. 2023, 16, 4561–4571; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202423326）。但前期研究局限于中低溫領域，最低至–40 ^oC。

  近期，東華大學化學與化工學院馮豆豆博士、焦玉聰研究員與武培怡教授團隊提出了一種基于陽離子去屏蔽效應的水氫鍵調控策略。研究發現，鋁陽離子能夠同時對水分子中的氫和氧產生去屏蔽作用，顯著削弱水分子間的氫鍵數目和強度，從而在僅2.8 m的低鹽濃度下，將電解液的冰點降低至–117 ^oC。這種陽離子去屏蔽調控不僅打破了傳統高鹽抗凍體系的限制，還實現了低濃度與超低冰點的兼顧。進一步，研究團隊通過引入雙陽離子協同效應，優化了離子擴散動力學，并促進了Al–Zn合金保護層的形成，有效抑制了鋅金屬腐蝕和枝晶生長，使得組裝的Zn||PANI電池在50~ –80 ^oC優異的運行能力。這項工作為低溫水系電解液的調控提供了新的思路，也展示了陽離子效應在構筑極端環境儲能體系中的潛力。

  2025年10月20日，相關研究成果以“Leveraging cation effect for low temperature aqueous Zn-based batteries”為題，發表在《Nature Communications》(Nat. Commun. 2025, 16, 9254)上。東華大學化學與化工學院馮豆豆博士和博士生謝延春為文章共同第一作者，焦玉聰研究員和武培怡教授為論文共同通訊作者。

圖1 陽離子去屏蔽效應表征

  研究團隊首先利用NMR譜深入探究不同陽離子對水分子氫鍵結構的調控機制。NMR作為一種強有力的分子相互作用表征手段，可直接探測參與氫鍵（HB）的氧（O）與氫（H）原子電子密度變化。結果顯示，常見的 Li⁺、Na⁺、Mg²⁺、Zn²⁺和Ca²⁺僅表現出對氫核的屏蔽效應，而三價鋁離子（Al³⁺）則呈現獨特的去屏蔽效應，可同時作用于水分子的氧與氫原子，顯著削弱氫鍵網絡并重構水分子排列。密度泛函理論與分子動力學模擬進一步證實，Al³⁺對水分子間氫鍵有更強的擾動作用，導致水分子間氫鍵數量在低溫下降時變化最小，從而有效抑制冰晶形成。最終，基于Al³⁺的電解液在僅2.8 m低濃度下即可實現 –117 ^oC 的超低冰點，驗證了陽離子去屏蔽效應在構筑抗凍水系電解液中的關鍵作用。

圖2 雙陽離子電解液結構表征

  為進一步提升離子遷移速率并降低去溶劑化能壘，研究團隊在Al³⁺體系中引入ZnCl₂形成雙陽離子電解液。得益于Zn²⁺與Al³⁺間的競爭配位與協同作用，水分子的氫鍵網絡被進一步擾動，并形成雙陽離子溶劑化結構。核磁共振與分子動力學模擬表明，雙陽離子體系有效調控了Al³⁺與水的結合強度，降低了去溶劑化能壘，并加速界面電荷轉移動力學。

圖3 鋅金屬電極可逆性表征

  在電化學性能測試中，團隊驗證了雙陽離子電解液在極低溫條件下對鋅電極的顯著穩定作用。得益于雙陽離子協同效應，Zn||Zn對稱電池在–60 ^oC的間歇測試條件下可穩定循環超10,340小時 （> 430天），而在–70 ^oC仍能持續實現超過1,100小時的可逆鍍/剝鋅行為。進一步的結構分析表明，雙陽離子電解液體系在循環過程中可原位誘導形成致密均勻的Al–Zn合金層，該界面有效增強了鋅電極的抗腐蝕能力，并強化離子傳輸動力學，從而顯著提升了電極表面穩定性與反應可逆性。

圖4 全電池性能表征

  在全電池測試中，團隊進一步驗證了雙陽離子體系在寬溫域下優異的電化學性能。以聚苯胺（PANI）為正極的Zn||PANI電池在50至–80 ^oC寬溫域表現出卓越的倍率性能，同時軟包電池在–70 ^oC下循環500次仍具高穩定容量，體現了雙陽離子體系的高離子傳輸效率與界面穩定性。此外，在無機正極體系（Zn||Zn_0.25V₂O₅）中也驗證了雙陽離子策略的普適性，為極端環境下的儲能應用提供了新的解決思路。

  該研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金及上海市自然科學基金的資助與支持。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64278-1