新型电解液或解决可充电锌电池规模应用问题

在由水合四氟硼酸锌和乙二醇溶剂组成的新型电解液中，乙二醇本身的高沸点和电解液中各组分之间的强相互作用，使电解液的挥发性和成冰性更小，既能抵御炎热的夏季，又能抵御寒冷，大大拓宽了锌电池的应用范围。

可充电锌电池是一种新型的电化学储能装置，比锂电池更安全、更可靠、更便宜。然而，水作为锌电池电解质溶剂的局限性严重制约了锌电池产业化的发展。

记者12月13日从天津大学获悉，天津大学先进碳与纳米能源实验室联合清华大学深圳国际研究生院先进能源材料团队和中国科学院金属研究所先进碳材料研究部，成功研制出一种与锌金属相容的低成本新型不燃水性有机电解质。相关成果在线发表于国际期刊《自然可持续性》。

水系电解液让锌电池面临枝晶和腐蚀挑战

如何实现“二氧化碳排放峰值和碳中和”的目标成为全球关注的焦点和话题，加大可再生能源的绿色开发和高效利用成为全球共识。大力发展绿色安全的大规模储能技术，是充分开发利用可再生能源的必要技术支撑。

可充电锌电池是一种很有前途的绿色安全储能技术，它利用类似锂电池的工作原理，利用电解液中的锌离子在正负极之间来回穿梭，储存和释放电能。

但与锂电池使用高度易燃的有机电解液不同，可充电锌电池主要以水作为电解液溶剂，因此不存在锂电池易燃易爆的问题，使用起来更安全。

“而且，锌电池原材料丰富，电池的组装、储存、运输和维护相对简单，被认为在大规模储能领域具有更广阔的应用前景，近年来受到广泛关注。”天津大学化学工程学院教授杨介绍。

然而，锌作为负极在水电解液中存在严重的枝晶和腐蚀问题，亟待解决。

“枝晶是指在充电过程中，电解液中的锌离子不均匀地沉积在锌阴极上时出现的树枝状金属锌。”杨解释说，这种枝晶在电池充放电时不断生长，最终会刺穿隔膜，接触正极，导致电池内部短路失效。腐蚀问题主要是由于活性金属锌会与水自发反应，从而不断消耗金属锌负极和电解液，导致电池寿命显著缩短。

“可以说，锌负极的枝晶和腐蚀问题严重制约了锌电池的产业化和大规模应用。”杨对说道。

新型电解液由水合四氟硼酸锌盐和乙二醇组成

为了克服可充电锌电池面临的这两个问题，项目组开发了一种由水合四氟硼酸锌和乙二醇溶剂组成的新型电解液。

用乙二醇代替水作为电解液溶剂，可以大大抑制锌负极的腐蚀。同时，电解质中的四氟硼酸根阴离子和少量水分子(来自水合四氟硼酸锌盐中的结合水)会与锌阴极发生反应，在锌阴极表面自发形成致密稳定的氟化锌固体电解质界面层。这种界面层可以让锌离子通过，同时隔离电解液与锌阴极的直接接触，从而进一步抑制锌枝晶的产生和腐蚀副反应的发生，大大提高锌电池的性能。

“虽然乙二醇也是一种易燃的有机溶剂，但四氟硼酸锌水合物是一种广泛使用的阻燃剂。”杨介绍，因此，这种由水合四氟硼酸锌和乙二醇组成的电解液仍然保持了与水基电解液相同的不燃性、安全性和可靠性。

不仅如此，乙二醇的高沸点和强相互作用“由于水合四氟硼酸锌和乙二醇的工业应用成熟，成本低廉，我们研发的新型电解液成本相当于目前最便宜的水基电解液。”杨对说道。

这种电解液的成功研发，有望进一步推动当前锌电池的研究热潮，推动锌电池的产业化进程。

认为该工作利用廉价、环保的电解液解决了锌电池产业化过程中的几个关键问题，为构建可持续发展的未来提供了一种可靠、高性价比的电池解决方案。