水系锌电池（AZBs）因其高安全性、低成本、环境友好性受到广泛关注，但其商业化进程受到锌电极低可逆性和弱循环寿命的限制，主要原因在于析氢反应（HER）和不均匀的Zn沉积。HER由Zn²⁺溶剂化壳层中水的还原引起，会生成氢气，加速Zn表面副反应；Zn沉积的非均匀性则易导致枝晶生长，进而损坏电极界面。

基于此，马里兰大学王春生教授团队提出了一种基于 Et(30) 极性参数的水系锌电池电解液优化策略，实现了高可逆性Zn电极的构建，并显著提升了电池的循环稳定性。该研究以 “Electrolyte design for aqueous Zn batteries” 为题，发表在《Joule》期刊上。研究团队通过 Et(30) 极性参数精准筛选溶剂，优化Zn²⁺溶剂化结构，有效抑制析氢反应（HER）和Zn枝晶生长，显著提高Zn电极的可逆性。

王春生教授，1996年博士毕业于浙江大学，目前为美国马里兰大学 R.F & F. R. Wright杰出讲座教授，马里兰大学-美国陆军实验室极端电池联合研究中心（CREB）的创始人。AquaLith Advanced Materials公司的联合创始人。在Science, Nature, Nature Energy, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Chemistry, Joule等顶级期刊发表SCI论文。自2018年以来为科睿唯安（Clarivate）全球高被引学者。2015年和2021年两次获得马里兰大学年度最佳发明奖。2021年获得ECS Battery Division Research Award。

1、首次引入Et(30)极性尺度作为溶剂选择新标准，优化Zn²⁺溶剂化结构，实现高效 HER 抑制，提高Zn的沉积均匀性，进而提升电池稳定性。

2、通过引入F-添加剂促进ZnF₂保护层的形成，减少 Zn 电极与水的直接接触，降低枝晶生长和析氢副反应，实现5500小时超长循环寿命和99.8%的库仑效率。

3、采用优化电解液的Zn||PANI全电池展现出高达130 mAh/g的比容量，并实现长循环稳定性（1000次循环），为水系Zn电池在储能与可穿戴设备等领域的应用奠定了坚实基础。

图1 用于共溶剂电解液设计的 Et(30) 性能参数

图 1 展示了本研究提出的Et(30)极性参数在水系锌电池（AZBs）电解液优化中的关键作用，并验证了Zn电极的溶剂化结构对其可逆性和电池性能的影响。研究表明，Zn的库仑效率（CE）与溶剂的Et(30)值呈火山形关系，即Et(30)≈45时Zn CE最高（99.8%），而过高或过低的 Et(30) 都会导致 Zn²⁺ 溶剂化结构不稳定，影响 Zn 沉积均匀性。通过 ATR-FTIR 和 ¹H NMR 分析，研究发现 Et(30) 适中的溶剂可减少水的氢键网络，优化 Zn²⁺ 溶剂化壳层，使 TFSI⁻ 更易进入 Zn²⁺ 的第一溶剂化壳层，抑制析氢反应（HER）。此外，计算模拟结果进一步揭示了不同 Et(30) 值下 Zn²⁺ 溶剂化结构的变化，并验证了适当的 Et(30) 可有效减少溶剂分解和副反应，从而提高 Zn 电极的可逆性，为高性能水系 Zn 电池电解液设计提供了全新的理论指导。

图2含0.5 m氟基添加剂电解液的性能评价

图 2 主要评估了不同 含 0.5 m 氟基（F-based）添加剂的电解液对 Zn 电极性能的影响，包括循环寿命、库仑效率（CE）、过电位、电化学阻抗及 Zn 沉积形貌等。研究发现，添加氟基添加剂后，Zn||Zn 对称电池的循环寿命显著提升，其中 DSFF 电解液（含 FF 添加剂）表现最佳，可稳定循环 5500 小时，同时展现最低的过电位和更稳定的电化学性能。此外，在 Zn||Cu 不对称电池中，DSFF 电解液使 Zn CE 提高至 99.8%，显著优于其他电解液。阻抗谱（EIS）分析表明，FF 添加剂可有效降低 Zn 电极的电荷转移阻力，提高反应动力学。扫描电子显微镜（SEM）结果进一步显示，DSFF 电解液可促进 Zn 均匀沉积，形成平整的电极表面，避免枝晶生长。这些结果表明，优化的 F-添加剂不仅能提高 Zn 电极的可逆性，还能显著提升水系 Zn 电池的循环稳定性，为高性能水系 Zn 电池电解液的设计提供了新的策略。

图3 F基SEI的形成

图 3 主要展示了 FF 添加剂在水系锌电池电解液中的作用，尤其是其对 F 基 SEI（固态电解质界面层）形成的影响。图中通过电流-电压（dI/dV）曲线 和 X射线光电子能谱（XPS） 分析，揭示了 DSFF 电解液中 FF 添加剂的还原反应。通过比较，发现 DSFF 电解液中的还原峰明显低于 DSZT 电解液，表明 FF 添加剂在 Zn 电极上形成了一个稳定的 SEI 层。XPS分析还证实，FF 添加剂在 Zn 电极表面形成了 ZnF₂ 保护层，而传统电解液则未能形成类似的 ZnF₂ 保护层。此外，氢气（H₂）析出量的比较通过气相色谱（GC）检测，发现 DSFF 电解液显著减少了析氢反应（HER），与DSZT 电解液相比，产生的氢气量较少。最后，通过 X射线粉末衍射（XRD）和时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS） 分析，确认了 ZnF₂ 和 ZnS 的双重 SEI 结构，证明 FF 添加剂的有效性。这些结果表明，FF 添加剂在 Zn 电极表面形成的 ZnF₂-SEI 层可以有效抑制 HER 并提升电池性能。

图4 基于本研究中电解液的Zn||PANI电池性能

图 4 主要展示了 DSFF 电解液在 Zn||PANI（聚苯胺）全电池 中的性能提升。研究表明，使用 DSFF 电解液的 Zn||PANI 电池在 2 A/g 电流密度下的长周期稳定性明显优于传统 DSZT 电解液，保持了高比容量（130 mAh/g），并且循环次数超过1000 次。通过与 DSZT 电解液的对比，DSFF 电解液的较低过电位 和更高的比容量在电池充放电过程中体现了其优越的电化学性能。此外，Zn||PANI 电池在不同电流密度下的速率能力测试显示，使用 DSFF 电解液时，电池在0.3 A/g 到4 A/g的电流密度范围内具有更高的容量保持率。电池的电压曲线进一步验证了DSFF电解液对反应动力学和电池性能的积极影响。电化学阻抗谱（EIS）结果显示，DSFF 电解液的低电荷转移阻抗进一步提升了电池的整体性能。研究还评估了Zn||PANI 电池在不同温度下的性能，结果表明，DSFF 电解液使电池在低温（0 °C）和高温（60°C）下均能稳定运行，展示出较强的环境适应性。这些结果表明，DSFF电解液显著改善了Zn||PANI 电池的性能，具有广泛的应用潜力。

本研究提出了一种基于 Et(30) 极性参数 的电解液优化策略，旨在提升 水系锌电池（AZB） 的性能，特别是解决锌电极的低可逆性和短循环寿命问题。研究显示，Et(30) 极性尺度 与 Zn 电极的 库仑效率（CE） 之间存在 火山形关系，即最佳 Et(30) 范围（约 45）能有效提高 Zn²⁺ 溶剂化结构的稳定性，减少析氢反应（HER）和 Zn 枝晶生长，进而提升电池的可逆性和循环稳定性。同时，研究引入了 F-基添加剂，促进了 ZnF₂ 固态电解质界面层（SEI） 的形成，进一步抑制了 HER 和枝晶生长。使用优化电解液的 Zn||PANI 全电池 展示了 高比容量（130 mAh/g） 和 长循环寿命（1000 次以上），并且在不同电流密度下表现出优异的速率能力。此外，电池在低温（0°C）和高温（60°C）下也展现出良好的稳定性。综上所述，本研究提供了新的电解液设计策略，为 水系锌电池的高性能应用，特别是在储能系统和可穿戴设备等领域的应用奠定了基础。

Electrolyte design for aqueous Zn batteries. Joule, https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101844.