本研究聚焦于一种新型的电解液工程策略，旨在解决水性锌离子电池（AZIBs）中锌负极存在的关键问题，从而实现电池在宽温范围内的稳定运行。锌离子电池因其安全性高、成本低廉以及环境友好等特性，被认为是下一代储能技术的重要候选之一。然而，锌负极在实际应用中面临诸多挑战，包括不规则的枝晶生长、表面钝化、氢气析出和腐蚀等副反应，这些反应不仅影响电池的循环寿命和容量保持率，还可能带来安全隐患。因此，如何有效抑制这些副反应，特别是提升锌负极在极端温度下的稳定性，成为推动AZIBs技术发展的重要课题。
在众多提升锌负极性能的策略中，电解液工程被认为是一种非常有效的方法。通过引入功能性添加剂，特别是有机溶剂和金属盐，可以调节锌离子的溶剂化结构，促进在锌/电解液界面形成稳定的固体电解质界面（SEI）。良好的SEI结构能够有效隔离锌表面与水分子的直接接触，减少腐蚀和氢气析出，并促进锌离子的均匀沉积，避免枝晶的形成。例如，将二甲基亚砜（DMSO）加入到1.3 M的ZnCl₂电解液中，可以形成富含ZnSO₃和ZnS的SEI，从而有效防止枝晶生长，同时支持电池在常温下的稳定运行。
然而，锌负极的失效机制与温度密切相关，这使得传统的常温优化电解液难以满足宽温范围运行的需求。在低温条件下，水性电解液的粘度增加，甚至可能发生冻结，这会显著阻碍离子的传输，导致电化学反应动力学变慢，界面阻抗升高。更根本的是，低温下锌离子的脱溶化能垒升高，容易引发尖端诱导的枝晶生长和容量快速衰减。相反，在高温条件下（如高于40°C），水分子的活性增强，加剧了氢气析出反应（HER）和腐蚀过程，同时破坏了电极与电解液之间的界面稳定性。这些在极端温度下的复杂问题，使得现有的电解液设计难以兼顾不同温度下的性能需求。
为应对这一挑战，本研究提出了一种盐/溶剂共混的电解液策略，通过引入四乙二醇二甲醚（TEGDME）作为添加剂，结合锌三氟甲磺酸盐（Zn(OTf)₂）作为盐/溶剂共混体系的核心组分，对传统的ZnSO₄基水性电解液进行优化。该策略不仅能够调节锌离子的溶剂化壳层，还能降低电解液的冰点，通过破坏水分子之间的氢键网络，从而提升低温下的离子导电性。同时，TEGDME与Zn(OTf)₂的协同作用能够诱导锌的平坦沉积，避免枝晶的形成。这种协同效应促进了在锌/电解液界面形成一种有机-无机混合的SEI，增强了界面在水性副反应中的稳定性，同时降低了离子迁移的能垒。此外，将ZnSO₄与Zn(OTf)₂进行混合使用，不仅能够改善电池的电化学性能，还能够有效控制成本，从而实现经济高效的电池设计。
通过优化后的电解液体系，锌/锌对称电池在低电流密度下实现了超过3000小时的稳定循环，而锌/铜不对称电池则在超过1000次循环中保持了高度可逆的锌沉积/剥离过程，达到了平均库仑效率（CE）为99.6%的优异性能。此外，组装的锌/二氧化锰全电池在50°C和0°C的极端温度条件下均表现出良好的电化学性能，并能够维持稳定的循环寿命，进一步验证了电解液工程在提升AZIBs宽温适用性方面的有效性。
在实验部分，研究人员首先对所需化学试剂进行了详细的说明，包括锌硫酸盐（ZnSO₄）、锌三氟甲磺酸盐（Zn(OTf)₂）、高锰酸钾（KMnO₄）、硫酸锰一水合物（MnSO₄·H₂O）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和四乙二醇二甲醚（TEGDME）等，这些试剂均来自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。同时，聚偏氟乙烯（PVDF）和锌负极材料则来自国药集团化学试剂有限公司。随后，研究团队详细描述了共混电解液和二氧化锰正极的制备方法，为后续实验提供了坚实的基础。
在结果与讨论部分，研究人员通过分子动力学（MD）模拟分析了锌离子在不同电解液体系中的溶剂化结构，并展示了ZS和ZTD-3电解液的模拟快照。通过径向分布函数（RDF）进一步研究了Zn²⁺在ZTD-3电解液中的配位结构，发现相较于ZS，ZTD-3中Zn²⁺与水分子的配位数从5.78降低至5.32，表明TEGDME分子已经进入锌离子的溶剂化壳层，从而优化了锌离子的溶剂化结构。这一优化不仅降低了锌离子的脱溶化能垒，还促进了锌离子的均匀沉积，避免了枝晶的形成。
此外，研究团队还探讨了优化后的电解液体系在不同温度条件下的性能表现。在低温条件下，TEGDME的引入有效降低了电解液的冰点，提高了离子的迁移能力，从而缓解了低温下离子传输受限的问题。而在高温条件下，Zn(OTf)₂的添加有助于稳定电极-电解液界面，减少水分子活性带来的副反应，从而提升了电池的循环稳定性。这种在不同温度条件下均能有效调节锌离子行为的电解液体系，为AZIBs在宽温范围内的实际应用提供了坚实的理论和实验支持。
在结论部分，研究团队总结了本研究的核心成果，即通过盐/溶剂共混的电解液策略，成功实现了锌负极在0至50°C宽温范围内的稳定运行。在ZTD-3电解液中，TEGDME与锌离子之间的独特溶剂化相互作用优化了锌离子的溶剂化壳层，并通过破坏水分子的氢键结构降低了电解液的冰点。同时，TEGDME对锌负极的强吸附作用以及Zn(OTf)₂的添加，进一步促进了有机-无机混合SEI的形成，提升了电池在极端温度下的稳定性。这种创新性的电解液设计不仅解决了锌负极在宽温范围内的稳定性问题，还兼顾了成本效益，为AZIBs技术的进一步发展和实际应用提供了重要的参考。
本研究的创新性在于通过合理选择有机溶剂和金属盐的组合，构建了一种新型的电解液体系，能够同时应对不同温度条件下的挑战。传统的电解液设计往往只能在特定温度范围内表现出良好的性能，而本研究通过优化电解液的溶剂化结构和SEI形成机制，实现了锌负极在宽温范围内的稳定运行。这一成果不仅提升了AZIBs的实用性和安全性，还为其在更广泛的环境和应用场景中提供了可能性。
在实际应用方面，AZIBs因其安全性高、成本低廉、环境友好以及锌资源丰富，被认为具有广泛的应用前景。然而，锌负极的稳定性问题仍然是制约其发展的重要因素。通过引入TEGDME和Zn(OTf)₂，研究团队不仅优化了电解液的性能，还显著降低了成本，使AZIBs在实际应用中更具竞争力。此外，优化后的电解液体系在极端温度下的表现也表明，AZIBs可以在更广泛的气候条件下运行，从而拓展了其应用范围。
本研究的成果表明，电解液工程在提升锌离子电池性能方面具有重要作用。通过合理设计电解液的成分和结构，可以有效解决锌负极在宽温范围内的稳定性问题，同时提升电池的循环寿命和容量保持率。这种策略不仅适用于锌/锌对称电池，还适用于锌/铜不对称电池和锌/二氧化锰全电池，展示了其在不同电池体系中的广泛适用性。因此，电解液工程被认为是推动AZIBs技术发展的重要方向之一。
此外，研究团队还强调了电解液工程在实际应用中的重要性。随着储能需求的不断增长，特别是在可再生能源存储和电动汽车等领域，对电池的性能提出了更高的要求。AZIBs因其安全性高、成本低廉、环境友好等特性，被认为是满足这些需求的理想选择。然而，锌负极的稳定性问题仍然是制约其发展的重要因素。通过优化电解液的成分和结构，研究团队不仅提升了锌负极的性能，还显著降低了电池的制造成本，使AZIBs在实际应用中更具竞争力。
本研究的创新性在于提出了一种盐/溶剂共混的电解液策略，通过引入TEGDME和Zn(OTf)₂，实现了对传统ZnSO₄基电解液的优化。这种优化不仅提高了锌负极在宽温范围内的稳定性，还提升了电池的循环寿命和容量保持率。研究团队通过实验验证了这一策略的有效性，表明在优化后的电解液体系下，锌/锌对称电池在低电流密度下实现了超过3000小时的稳定循环，而锌/铜不对称电池则在超过1000次循环中保持了高度可逆的锌沉积/剥离过程，达到了平均库仑效率为99.6%的优异性能。此外，组装的锌/二氧化锰全电池在50°C和0°C的极端温度条件下均表现出良好的电化学性能，并能够维持稳定的循环寿命，进一步验证了电解液工程在提升AZIBs宽温适用性方面的有效性。
综上所述，本研究通过电解液工程策略，成功解决了锌离子电池在宽温范围内的稳定性问题，为AZIBs技术的进一步发展和实际应用提供了重要的理论和实验支持。这一成果不仅拓展了AZIBs的应用场景，还为其在更广泛的环境和气候条件下运行提供了可能性。未来，随着材料科学和电化学技术的不断进步，AZIBs有望在更多领域得到应用，成为一种更加安全、经济、高效的储能技术。
