传统电池遇冷就“死机”？看离子水聚集体如何在-28℃还能蹦跶！

摘要：在电池世界里，金属离子在溶液中的运输能力，直接影响着电池的性能。但长期以来，电解液存在一个“不可能三角”——迁移数（tMn+）、离子电导率（δ）和溶剂化过程之间难以平衡。尤其是使用金属负极的先进水性电池，更是需要兼具接近1的迁移数、高电导率和低溶剂化能的电解液

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一、研究背景：电解液性能的“不可能三角”

在电池世界里，金属离子在溶液中的运输能力，直接影响着电池的性能。但长期以来，电解液存在一个“不可能三角”——迁移数（tMn+）、离子电导率（δ）和溶剂化过程之间难以平衡。尤其是使用金属负极的先进水性电池，更是需要兼具接近1的迁移数、高电导率和低溶剂化能的电解液。

二、核心方案：引入胍硫酸盐，构建离子-水聚集体

为了解决上述难题，研究团队想到了一个巧妙的办法——往金属硫酸盐水溶液中加入胍硫酸盐（Gdm2SO4），构建离子-水聚集体电解液。这种电解液有多厉害呢？它能实现快速单离子传导，让多种金属阳离子（如Zn、Cu、Fe、Sn、Li）的迁移数接近1，电导率超过50mS/cm。

（一）聚集体结构：氢键搭起的“牢笼”

胍硫酸盐溶液能形成离子-水聚集体，靠的是硫酸根、胍阳离子和水之间强大的氢键作用。硫酸根的对称四面体结构，能与多个胍阳离子形成近乎理想的线性氢键，这种带电荷的基团间的氢键，能量比普通水的氢键更高，能把阴离子牢牢“困”在聚集体里，同时水分子也被拉进这个结构中，形成动态的离子-水聚集体网络。

（二）结构验证：光谱里的“蛛丝马迹”

科学家们通过拉曼光谱、核磁共振等手段，找到了离子-水聚集体存在的证据。比如，在拉曼光谱中，硫酸根的振动峰向低频移动，说明胍阳离子夺取了金属离子溶剂化层中的硫酸根，强化了离子聚集；而胍阳离子的核磁共振特征峰移向低场，也证明了它与硫酸根之间丰富的氢键作用。

三、性能突破：多项指标全面提升

（一）迁移数与电导率：鱼和熊掌兼得

在离子-水聚集体电解液中，阴离子被固定在聚集体里，金属阳离子成了“自由奔跑”的电荷载体，迁移数大幅提升。比如Zn²⁺的迁移数从传统电解液的0.09（20mZnCl₂）或0.32（1mZnSO₄），提升到了0.95，其他金属阳离子（Cu²⁺、Fe²⁺等）的迁移数也都在0.86以上。同时，电导率也保持在高位，如Sn²⁺电解液的电导率达到60.4mS/cm，远超传统酸性电解液。

（二）溶剂化能降低：让离子“轻装上阵”

通过密度泛函理论（DFT）计算和开路电位测试发现，随着胍硫酸盐浓度的增加，金属离子的溶剂化能显著降低。以Zn²⁺为例，溶剂化能从3mZnSO₄中的367.2kcal/mol，降到了1Zn8GS电解液中的348.9kcal/mol。这意味着金属离子摆脱了繁琐的溶剂化鞘层，能更轻松地参与电化学反应。

（三）抗冻能力：零下28℃仍能工作

传统硫酸盐电解液在0℃左右就会结冰，而离子-水聚集体电解液凭借更强的亲水性，将冰点大幅降低到-28℃。差分扫描量热法（DSC）显示，1Zn8GS电解液在-28.1℃才会冻结，这让电池在寒冷环境中也能正常工作，拓展了应用场景。

四、电池表现：从实验室到实际应用

（一）金属沉积：抑制枝晶，稳定循环

在金属电镀/剥离测试中，离子-水聚集体电解液表现出优异的稳定性。以Zn为例，传统3mZnSO₄电解液中，Zn负极会生成粗糙的枝晶，而在1Zn8GS电解液中，Zn沉积均匀，呈现紧密堆叠的六方晶面（Zn(002)），库仑效率高达99.9%，循环寿命超过1000小时，远超传统电解液的30小时。

（二）全电池测试：高低温下的可靠性能

将离子-水聚集体电解液应用于全电池中，无论是与嵌入型正极（如LiMn₂O₄）还是转化型正极（如Br电极）搭配，都展现出良好的性能。在Zn||Br静态电池中，该电解液不仅抑制了多溴化物的穿梭效应，还能在-10℃下保持122mAh/g的可逆容量，循环800次后容量保持率达96.8%，而传统电解液在0℃就已冻结失效。