一枚如硬币般大小的纽扣电池，安装在手表、便携式医疗器件等设备中，即使是在零下20摄氏度的低温环境下也能稳定运行，且能保持长时间续航能力。在武汉理工大学读博士四年，耿立珊聚焦水系锌离子电池研究，在麦立强教授、周亮教授、孟甲申特设研究员的指导下，开发了一类初层溶剂化壳层不含有机溶剂的复合水系电解液，实现优异低温性能。相关研究成果日前在国际学术期刊《Cell》的子刊《Chem》上发表。

麦立强教授团队博士生耿立珊正在做实验。记者汪洋 摄

给锌离子穿一身保暖且轻薄的“衣服”

14日上午，长江日报记者探访武汉理工大学纳米重点实验室，耿立珊向记者展示她制作的锌离子纽扣电池。小小的一枚电池，内部却有着复杂的结构，如同叠汉堡一样，先要在电池的负极壳一端加入锌片，然后滴入一定量的电解液，再放隔膜，隔膜另一侧也要加电解液，再放入正极材料。加上正极壳之后压制成纽扣电池。

电解液的合成是关键，因为传统水系锌离子电池在低温状态下是会结冰的，导致锌离子无法在正负极之间流动。为了解决这一问题，常见的手段是引入有机溶剂形成一种在低温状态下仍能稳定运行的复合水系电解液。耿立珊告诉记者，引入的有机溶剂必须安全、无毒，成本要低，还要能够与水形成氢键，降低凝固点。

但是传统复合水系电解液的初层溶剂化结构中含有有机溶剂分子，而有机溶剂分子相对于水分子与锌离子的结合力较强，导致在低温下脱溶剂化动力学较为缓慢。因此调控锌离子初层溶剂化结构不含有机溶剂分子至关重要。

在耿立珊看来，把固体锌盐变成电解液的过程，即阴离子和/或溶剂围绕在锌离子周围形成锌离子溶剂化结构，就如同是给锌离子穿衣服的过程。她将锌离子比作一个人，锌离子在正负极之间的快速流动产生能量。而在低温环境下，锌离子受寒气的侵蚀，行动会变得迟缓，甚至裹足不前。“这就需要给它穿一身衣服，这身衣服既要保暖，还要轻便。如果衣服太重了，同样会影响锌离子的运行效率。”

麦立强教授团队博士生耿立珊正在做实验。  记者汪洋 摄

穿4层“衣服”最合适

在导师的指导下，耿立珊进行了相关实验尝试。进入她视野的有机溶剂一般为砜类或醇类的物质，毒性很小，成本较低。但是这两类有机溶剂数量仍然众多，一个一个尝试造成工作量巨大、效率低下。

突破口缘于一次偶然的发现。在一个冬季的下雨天，耿立珊看到爸爸在车窗和挡风玻璃表面喷洒了一层东西，几小时后周围的车辆里只有他爸爸的车窗未结冰。爸爸告诉她“这是防冻剂，能防止水结冰”。

“我找到啦！”耿立珊恍然大悟，激动地叫起来，“防冻剂能降低水的冰点，又无毒且成本低，这不就有我想要寻找的溶剂吗？”

回去后，耿立珊就查略了一系列防冻剂相关资料，但实验发现，最常见的防冻溶剂乙二醇这件“衣服”太重了，即便穿上它很保暖，锌离子却跑得不快。如何找到既能保暖又轻便的衣服？进一步调研与实验后，耿立珊最终找到了二甲基亚砜这种有机溶剂。研发的复合水系电解液由低成本的醋酸锌水溶液与二甲基亚砜组成，使得锌离子的初层溶剂化结构里无有机溶剂分子，促进锌离子的快速脱溶剂化动力学。

不过，到底需要给锌离子穿上几件“衣服”才是最合适的？耿立珊又通过实验对比了10个对样组，最终发现在穿第4件的时候，对应二甲基亚砜的体积为40%时，既能保持低温性能，又能保持良好的运行速度。

耿立珊展示他们研发的水系锌离子电池。记者汪洋 摄

枪击、针刺、高温都奈何不了它

实验室一隅，一台低温烘箱嗡嗡作响，烘箱内放置着几颗装配好的电池。烘箱温度设定为零下20摄氏度，在这一理想环境下测试电池的电化学性能，包括电池容量、循环性能和倍率性能。

“容量越高，电池就续航越久。倍率性能越高，就能实现快充的性能。”耿立珊告诉记者，他们研发的水系锌离子电池在零下20摄氏度的环境下，电解液仍然处于液态，体现出很好的低温应用，具有高容量，长循环、高倍率性能。

论文通讯作者麦立强教授介绍，高性能电化学储能器件是我国电动汽车、人工智能、智能电网等战略性新兴产业的重大需求，也是实现我国“双碳”目标的重要支撑。“水系锌离子电池具有安全、快充、成本低廉和环境友好等优势，是一项具有应用前景的新型储能技术。”

据悉，市面上的商业化电池，比如锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等都属于有机体系，存在有毒、易燃、不安全等问题。麦立强教授团队研制的水系锌离子电芯经过枪击、针刺和高温测试，均展现出高安全性，并通过了第三方测试，过放电、短路等实验中未起火、未爆炸，高低温下能量效率皆高于标准。

记者了解到，麦立强教授团队长期从事新能源储能电池及关键材料的研究开发与产业化应用，建立了调控电化学反应动力学的“麦-晏”电子/离子双连续输运理论，突破了储能材料与器件的批量化制备技术；在《自然》《科学》等刊物系统发表系列论文；获授权国家发明专利160余项；主持国家重点研发计划等国家级项目30余项，获国家自然科学奖二等奖、何梁何利奖、国际电化学能源大会卓越研究奖（每年仅2人）等。

作为较早开展锌离子电池研究的团队之一，麦立强教授团队通过溶剂分子预嵌入技术，实现了层间离子输运自润滑，开发了适合于不同应用场景的数十种层间离子输运自润滑的正极材料；搭建了全球首台水系锌离子电池定制化生产设备，建立了水系锌离子电芯生产线；并与多家头部企业实现了成果转化与应用，为我国储能材料与器件领域的高质量发展和高水平科技自立自强做出重要贡献。

（长江日报记者汪洋 通讯员谢小琴 黄天佑）

【编辑：姚昊】