摘要：在能源存储领域，锂离子电池虽性能可靠，但锂资源有限且存在安全隐患，急需更可持续的替代品。水性锌离子电池因安全、高容量和低成本等优势崭露头角，但其面临多卤化物穿梭效应和锌电极沉积混乱的问题，导致能量效率和寿命下降。开发高效抑制穿梭效应、实现锌均匀沉积的策略至关重

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一、研究背景与电池挑战

在能源存储领域，锂离子电池虽性能可靠，但锂资源有限且存在安全隐患，急需更可持续的替代品。水性锌离子电池因安全、高容量和低成本等优势崭露头角，但其面临多卤化物穿梭效应和锌电极沉积混乱的问题，导致能量效率和寿命下降。开发高效抑制穿梭效应、实现锌均匀沉积的策略至关重要。

二、阳离子驱动相变：抑制穿梭与引导锌沉积

研究采用四甲基卤化铵（TMAX）作为添加剂，其中 TMA⁺阳离子通过强络合能力捕获 I₃⁻，形成固态卤化物复合物 TMAI₂X，实现液-固相变，有效抑制多卤化物穿梭。同时，TMA⁺优先吸附在锌负极表面，形成阳离子静电屏蔽层，促进锌（101）晶面定向沉积，抑制枝晶形成，延长循环寿命。例如，在 TMAF 修饰的电解液中，锌对称电池稳定循环超 1400 小时，远超传统电解液的 255 小时。

三、阴离子增强动力学：加速反应进程

引入不同卤素阴离子（F⁻、Cl⁻、Br⁻）调控反应动力学。实验和理论分析表明，阴离子降低了 I⁻→I₂X⁻和 I₂X⁻→TMAI₂X 的吉布斯自由能差，加速了 I⁻/I₂X⁻/TMAI₂X 的转化。其中 F⁻表现最佳，其电解液中的扩散系数和反应动力学显著优于 Cl⁻和 Br⁻。例如，TMAF 电解液中碘氧化反应的塔菲尔斜率最低，表明反应阻力小、速度快。

四、电池性能提升：高效与长寿命兼具

TMAF 修饰的锌-卤化物复合电池（ZICB）展现出优异性能。在 0.2 A/g 电流下，能量效率高达 95.2%，1000 次循环中容量衰减仅 0.1%；在 1 A/g 高电流下，10,000 次循环的容量衰减低至 0.1‰。这得益于 TMA⁺和 F⁻的协同作用，既抑制了穿梭效应，又提升了反应动力学，实现了高能量效率和长期稳定性。

五、总结与展望

本研究通过阳离子驱动相变和阴离子增强动力学的策略，有效解决了水性锌-卤化物电池的关键挑战。这种双功能电解液设计为开发高效、长寿命的储能系统提供了新方向，有望推动可持续能源存储技术的发展。

一起来做做题吧

1、水性锌离子电池相比锂离子电池的核心优势不包括：

A.高安全性

B.更高能量密度

C.低成本

D.锌资源丰富

2、TMA⁺阳离子抑制多卤化物穿梭的主要方式是：

A.溶解多卤化物

B.形成液态络合物

C.液-固相变形成固态复合物

D.静电排斥多卤化物

3、在TMAX电解液中，反应动力学最快的阴离子是：

A.F⁻

B.Cl⁻

C.Br⁻

D.I⁻

4、TMA⁺引导锌离子定向沉积的晶面是：

A.（002）

B.（100）

C.（101）

D.（110）

5、在1A/g电流下，TMAF修饰的电池循环10,000次的容量衰减率为：

A.0.1%/次

B.0.1‰/次

C.1%/次

D.5‰/次

6、下列关于锌-卤化物复合电池的描述错误的是：

A.阴离子降低反应吉布斯自由能差

B.阳离子同时调控正负极界面

C.TMAI₂X复合物为液态

D.F⁻的电负性增强反应活性

参考文献：

Zhong, W., et al. Cation-driven phase transition and anion-enhanced kinetics for high energy efficiency zinc-interhalide complex batteries. Nat Commun 16, 4586 (2025).

来源：知识泥土六二三