近日，河南工業大學教授鄭新華和團隊打造出一款高效能軟包鋅錳電池，在聚醚胺電解液新增劑的調控下，軟包鋅錳電池實現了 300 次穩定迴圈，且比容量始終超過 170mAh/g。同時，軟包電池的實際能量密度達到了 51Wh/kg，為發展實用性鋅錳電池提供了關鍵支撐。
圖 | 鄭新華（來源：鄭新華）
此外，他們還發現了聚醚胺向列空間效應，即發現電解液新增劑可以有效地調控鋅負極的穩定性。該成果中使用的聚醚胺電解液新增劑具有向列空間效應，其可以從鋅負極的表面跨越到距離電極表面的一定空間內，從而對整合鋅負極介面發揮調控作用。
另外，他們還發現聚醚胺能夠同時重塑亥姆霍茲內外平面：理論計算和表徵揭示聚醚胺可以高效地吸附在鋅表面，形成一個缺水和硫酸根離子的亥姆霍茲內平面，避免了水相關副反應的發生；此外，透過其向列空間效應，聚醚胺的分子鏈可以延伸到亥姆霍茲外平面，形成新的溶劑化結構，從而均勻鋅離子的擴散。重塑的亥姆霍茲內外平面可以有效地抑制鋅負極的副反應，並提高其面容量和迴圈穩定性。
目前，儲能市場迫切需要新型的儲能技術以推動未來智慧電網的發展。水系鋅電池具有低成本、高安全、優異可逆性及環境友好等優勢，有望在未來的能源市場生大放異彩。
該團隊認為，未來其應用場景包括但不限於：未來智慧電網中調頻及削峰填谷的大規模儲能應用；應急場所的儲能裝備；低速電車市場，包括二輪、三輪、低速四輪車等；汽車的啟停電源；高安全需求的消費類電子產品等。
（來源：Advanced Functional Materials）
據瞭解，在新一輪的能源革命中，發展高效的儲能技術應對風能、太陽能等可再生能源間歇性、隨機性和波動性是實現清潔能源高效利用的重要手段，受到世界各國的廣泛關注。水系鋅電池具有低成本、高安全、壽命長、環境友好等優勢，有望成為“雙碳”目標下規模化儲能技術的優選電化學器件。
然而，鋅負極的不利反應，如鋅枝晶生長、析氫反應、鋅腐蝕和鈍化等，嚴重阻礙了鋅電池的實用化程序。研究人員開發了系列的鋅負極介面調控策略獲得了其電化學效能的有效提升。
但是，鋅負極在高面容量下的長迴圈穩定性仍不足以支援鋅電池的實際應用。鋅的電鍍/剝離主要發生在電極/電解液介面，而介面雙電層在其中發揮著至關重要的作用。雙電層由內亥姆霍茲平面（IHP，Inner Helmholtz Plane）、外亥姆霍茲平面和擴散層組成。
在傳統的鋅鹽基水系電解液中，鋅離子通常與六個水分子配位形成 Zn(H2O)62+溶劑化結構，使鋅離子在脫溶劑化和沉積過程中有較高的反應能壘。並且，鋅離子在去溶劑化過程中的不均勻擴散以及 IHP 中大量自由水分子的參與，導致產生了枝晶生長和與水相關的副反應。
研究團隊發現，鋅的穩定沉積和溶解受亥姆霍茲平面成分的影響很大，因此精準的調控 HPs 可以有效抑制鋅負極的不利反應，提高其高面容量、高利用率下的迴圈穩定性，從而加速鋅電池的產業化程序。
因此，本次課題致力於抑制如上的副反應，並儘可能提高鋅負極在高面容量下的迴圈穩定性。由於電解液始終參與電極反應過程，所以對電解液的最佳化設計有望實現鋅負極效能的極大提高。
研究中，該團隊設計新增劑的原則是從電極反應的基本原理出發，發現介面層中的亥姆霍茲平面決定了鋅負極的沉積/溶解的質量，其中包括了內層、外層和擴散層。如果能夠同時重塑內、外亥姆霍茲平面，有望最大限度的調控鋅負極的反應，從而提高其電化學效能。透過分析新增劑的結構發現聚醚胺具有獨特的向列空間效應，有望實現對內、外亥姆霍茲平面的同時重塑。
在半對稱電池的設計上，目前鋅負極的研究中常用鋅片/鋅板作為負極，其不僅造成了活性物質利用率低，且作為集流體穩定性較差。
該課題組將鍍錫的銅箔作為集流體，實現了鋅負極 100% 的利用率。並聚焦在高面容量下的鋅沉積/溶解效能，實現了最高 50mAh/cm2的面容量，且在 10mAh/cm2的面容量下可穩定迴圈 1500 小時。
在全電池效能的探究上，研究團隊選擇了目前常用且廉價的 MnO2和V2O5作為正極材料裝配了鋅全電池。Zn-V2O5和 Zn-MnO2分別獲得了 1000 次和 2000 次的穩定迴圈，表明了聚醚胺新增劑在全電池中也發揮了最佳化其效能的作用。
在大容量 Zn-MnO2軟包電池的設計及其實用化的初步探索上，課題組認為發展大容量電池才能夠更有力度的聚醚胺新增劑的效果。為此，研究團隊將軟包電池的容量擴大到 300mAh，探究了其與太陽能板的耦合並對其安全效能進行了評估。
（來源：Advanced Functional Materials）
鄭新華表示：“這項工作是我入職新單位開展的第一個課題，開展研究時確實困難重重。首先實驗室還沒有完全安置好，相關裝置還沒有到位。很迫切想開展實驗，但是又無法正常進行。起初只能在公共實驗室的老舊裝置上進行初步驗證，但是收集的資料很不理想，無法正常使用。”
在那個階段每天的主要事情就是和供貨商打電話催裝置。後來裝置終於到位，實驗室開始正常執行。快速地封裝了一批電池進行測試，由於經過了前期的初步驗證，測試效果非常好，心情也豁然開朗，對本課題對後續的科研也更有信心。
另外，本課題也做了軟包電池的相關裝配和測試，這個實驗經歷了很長的週期，因為集流體、負載量、電解液用量、測試電流等都不能完全參考紐扣電池，需要重新對這些引數進行探究找到最佳的引數。軟包電池的實驗足足花費了有將近半年的時間，最後得出了初步的結果。雖然不是最理想的，但是研究團隊也在逐步對其進行提升。
日前，相關論文以《聚醚胺向列相空間效應重塑能量鋅電池的內/外亥姆霍茲平面》（Polyetheramine Nematic Spatial Effects Reshape the Inner/Outer Helmholtz Planes for Energetic Zinc Batteries）為題發表在 Advanced Functional Materials[1]。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）
在後續的工作中，以此次的研究模型為基礎，研究團隊有信心將軟包電池的容量做得更大，且迴圈穩定性更高。
另據悉，近年來該團隊主要聚焦在新型儲能電池的開發，及其實用性的探索。科研的最終目標是發展實用化的產品。針對發展實用化鋅電池中面臨的核心問題，下一步工作主要聚焦在水系鋅電池正、負極材料在高面容量下迴圈穩定性增強；大容量電池實際能量密度及其迴圈穩定性的進一步提高；中小型電池電堆的應用探索等。
鄭新華補充表示：“做有意義的科研要從關心社會、解決實際問題出發。以發展實用化水系鋅電池為例，目前更需要關注其面臨核心和瓶頸問題：例如如何製造出可用的產品、提高其能量密度和迴圈穩定性、驗證其在實際場景中的應用，以及如何相容現有產線實現批次生產等。這需要行業相關人員的共同努力，實現更可靠、更具經濟性的儲能電池產品，以推動能源市場的革新。”
參考資料：
1.Zheng, X., Han, B., Sun, J., Lu, P., Liang, X., Wu, S., … & Wu, Y. (2025). Polyetheramine Nematic Spatial Effects Reshape the Inner/Outer Helmholtz Planes for Energetic Zinc Batteries. Advanced Functional Materials, 2420434.
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