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能源胶体与界面化学团队在能源材料领域期刊《Advanced Energy Materials》（中国科学院一区，IF=26）上发表题为“A quantitative Water-speciation Identification strategy Enables Efficient Four-Electron Conversion in Aqueous Zn-I2 Batteries”的研究论文。该研究通过对水环境的精确识别和调控，平衡了水对离子传输与四电子转化的影响，实现了高性能水系Zn-I2电池。
随着人们对成本、安全与环保等问题的持续关注，水系电池正加速迈向下一代储能技术的前沿。水是水基电池的基础物质：它储量丰富、不易燃、对环境无害，并且通过动态的氢键网络展现出高离子导电性，推动了水系储能器件的快速发展。然而，水本身的固有限制也制约了电池的性能，其较强的溶剂化能力与反应活性使得电解质的电化学稳定窗口受限，同时还会导致副反应、金属负极腐蚀和正极活性物质溶解。在电解质中，水在分子尺度上并非是单一形态，而是由多种微环境共同构成的，包括自由水、溶剂化壳层中的配位水以及氢键网络束缚水。不同类型的水分子在活性、动力学性能与界面反应行为上存在显著差异，这将直接影响离子迁移、电化学稳定性以及氧化还原路径。因此，准确识别和调节这些微观水环境对于优化水系电解质的性能至关重要。
本工作开发了一种定量识别策略，用于解析并量化复杂水系电解质中的水环境，建立了水含量与微观结构的联系，为水含量及水物种分布的有目的调控提供了指导，有助于高性能水系电解质的合理设计。作为概念验证，本研究选取了容量对水环境敏感度较高的水系Zn-I2电池作为模型。电解液中游离水的消失可促进四电子 2I⁻/I2/2I⁺ 转化，实现容量有效提升；而过度去除水分则会增加电解液粘度、降低离子导电性，并损害速率性能。因此，兼具稳定活I⁺物质与保持低粘度、快速离子传输的溶剂结构对于提升水系Zn-I2电池性能至关重要。研究中将二维红外（2D IR）相关光谱与理论分析相结合，精确分析了不同水环境类型，并量化了其组成和演变过程，设计出了优化的电解质（WiDES-13）。该电解质既能保留足够的“可迁移”溶剂分子以降低粘度和提高离子传输能力，同时又能将水限制在配位/氢键网络中以抑制副反应，稳定I+，并激活2I-/2I0/2I+四电子转化过程。最终，这种优化的电解质在离子传输和四电子转化的稳定之间实现了微妙的平衡，使得Zn//Cu电池库伦效率达到99.8%；Zn//Zn电池在-30°C到30°C的宽温度范围内具有出色的循环寿命（1000 h）；Zn//I2全电池表现出高达309 mAh/g的比容量。
图1定量水环境分析、调控策略实现高性能水系Zn-I2电池。（a）水环境与离子传输、四电子转化关系示意图。（b）定制WiDES正、负极协同优化机制。二维红外（c）同步谱和（d）异步谱。（e）水系Zn-I2电池性能比较。
该工作由SWAG直播
高新培教授/苏龙副研究员、宁德时代21C实验室王瀚森博士与山东大学郑利强教授合作完成，合作培养博士生张霄为论文第一作者，SWAG直播
为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金(22362014, 22262011, 22272090)和海南省自然科学基金项目(224RC442)的资金资助。
撰稿人：苏龙
审核人：潘福生
