近日，课题组硕士研究生陈明慧与陈冠红在抗冻水凝胶电解质设计的研究中取得新进展，相关成果 “SiO₂ Nanoparticles-Induced Anti-Freezing Hydrogel Electrolyte Enables Zn-I₂ Batteries with Complete and Reversible Four-Electron-Transfer Mechanisms at Low Temperatures”发表于《Angewandte Chemie International Edition》。

水系锌碘电池（Zn-I₂）凭借高安全性、资源丰富和环境友好等优势，成为大规模储能领域的研究热点。特别是四电子转移机制（I⁺/I₂/I⁻反应）的Zn-I2电池可实现 422 mAh g⁻¹ 高比容量，远超传统两电子转移Zn-I₂电池（I₂/I⁻反应）的 211 mAh g⁻¹，这有望提高低温水系锌基电池的能量密度。然而，该体系面临水系电解质的电化学窗口较窄，I⁺易水解等多重挑战，而传统的高盐浓度电解液策略面临着离子活度受限、低温下大量离子对和聚集体所引发的盐析现象等，严重制约了电池在低温环境下的性能。

本文通过直接将SiO₂纳米颗粒分散到高盐浓度电解质（HC）中，开发了一种新型的抗冻水凝胶电解质。利用表面带负电荷的SiO₂纳米颗粒能与阳离子和水发生分子间相互作用，促使均匀透明的水凝胶的形成。根据 Bjerrum 离子对形成理论，这些相互作用有助于增大离子对中阴阳离子间的距离。实验和理论计算表明，该水凝胶电解质在保持着扰乱水的氢键网络（抑制冰核形成）的同时，SiO₂与阳离子的相互作用可显著降低紧密离子对和聚集体的比例，使高浓度电解液的凝固点降至-60.7 ℃。并且，离子相互作用的减弱，提升了离子活度和离子电导率，进而提升了I⁺/I₂转化反应的动力学性能。最重要的是，基于该水凝胶电解质的Zn-I₂电池在-20 ℃下不仅完整实现四电子转移过程，展现高达490.9 mAh g^-1的比容量，还在高倍率条件下实现超过 11,000 圈的循环寿命。这一成果为研发实用化的低温 Zn-I₂电池提供了重要思路。

原文链接：SiO2 Nanoparticles‐Induced Antifreezing Hydrogel Electrolyte Enables Zn–I2 Batteries with Complete and Reversible Four‐Electron‐Transfer Mechanisms at Low Temperatures - Chen - Angewandte Chemie - Wiley Online Library