水系锌电池因其高安全性、低成本及环境友好性，被广泛认为是新一代储能技术的重要方向。然而，在低温环境下，电解液易冻结，导致离子迁移受限和电极/电解液界面接触不良，从而严重制约电池的实际性能。已有研究显示，通过调控阴离子–水相互作用可以调控水分子间的氢键网络，从而降低电解液冰点，实现一定程度的抗冻。然而，这类方法通常依赖高盐浓度或特殊阴离子，导致电解液成本较高，且阳离子–水作用在设计中往往被忽视。在低盐浓度体系中，这种忽视导致难以同时兼顾超低冰点与高离子迁移效率，从而限制了电池在极端低温下的电化学性能。因此，如何通过阳离子调控水分子间氢键，实现兼具低冰点和高离子迁移动力学的水系电解液，仍然是推动锌电池在超低温环境下应用的核心挑战。

  东华大学焦玉聪研究员长期致力于水系电解液与界面结构设计，围绕低温可逆电化学体系进行了系统研究，并取得了一系列重要进展（Small 2021, 17, 2103195; Adv. Mater. 2022, 34, 2110140; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215060; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314456; Energy Environ. Sci. 2023, 16, 4561–4571; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202423326）。但前期研究局限于中低温领域，最低至–40 ^oC。

  近期，东华大学化学与化工学院冯豆豆博士、焦玉聪研究员与武培怡教授团队提出了一种基于阳离子去屏蔽效应的水氢键调控策略。研究发现，铝阳离子能够同时对水分子中的氢和氧产生去屏蔽作用，显著削弱水分子间的氢键数目和强度，从而在仅2.8 m的低盐浓度下，将电解液的冰点降低至–117 ^oC。这种阳离子去屏蔽调控不仅打破了传统高盐抗冻体系的限制，还实现了低浓度与超低冰点的兼顾。进一步，研究团队通过引入双阳离子协同效应，优化了离子扩散动力学，并促进了Al–Zn合金保护层的形成，有效抑制了锌金属腐蚀和枝晶生长，使得组装的Zn||PANI电池在50~ –80 ^oC优异的运行能力。这项工作为低温水系电解液的调控提供了新的思路，也展示了阳离子效应在构筑极端环境储能体系中的潜力。

  2025年10月20日，相关研究成果以“Leveraging cation effect for low temperature aqueous Zn-based batteries”为题，发表在《Nature Communications》(Nat. Commun. 2025, 16, 9254)上。东华大学化学与化工学院冯豆豆博士和博士生谢延春为文章共同第一作者，焦玉聪研究员和武培怡教授为论文共同通讯作者。

图1 阳离子去屏蔽效应表征

  研究团队首先利用NMR谱深入探究不同阳离子对水分子氢键结构的调控机制。NMR作为一种强有力的分子相互作用表征手段，可直接探测参与氢键（HB）的氧（O）与氢（H）原子电子密度变化。结果显示，常见的 Li⁺、Na⁺、Mg²⁺、Zn²⁺和Ca²⁺仅表现出对氢核的屏蔽效应，而三价铝离子（Al³⁺）则呈现独特的去屏蔽效应，可同时作用于水分子的氧与氢原子，显著削弱氢键网络并重构水分子排列。密度泛函理论与分子动力学模拟进一步证实，Al³⁺对水分子间氢键有更强的扰动作用，导致水分子间氢键数量在低温下降时变化最小，从而有效抑制冰晶形成。最终，基于Al³⁺的电解液在仅2.8 m低浓度下即可实现 –117 ^oC 的超低冰点，验证了阳离子去屏蔽效应在构筑抗冻水系电解液中的关键作用。

图2 双阳离子电解液结构表征

  为进一步提升离子迁移速率并降低去溶剂化能垒，研究团队在Al³⁺体系中引入ZnCl₂形成双阳离子电解液。得益于Zn²⁺与Al³⁺间的竞争配位与协同作用，水分子的氢键网络被进一步扰动，并形成双阳离子溶剂化结构。核磁共振与分子动力学模拟表明，双阳离子体系有效调控了Al³⁺与水的结合强度，降低了去溶剂化能垒，并加速界面电荷转移动力学。

图3 锌金属电极可逆性表征

  在电化学性能测试中，团队验证了双阳离子电解液在极低温条件下对锌电极的显著稳定作用。得益于双阳离子协同效应，Zn||Zn对称电池在–60 ^oC的间歇测试条件下可稳定循环超10,340小时 （> 430天），而在–70 ^oC仍能持续实现超过1,100小时的可逆镀/剥锌行为。进一步的结构分析表明，双阳离子电解液体系在循环过程中可原位诱导形成致密均匀的Al–Zn合金层，该界面有效增强了锌电极的抗腐蚀能力，并强化离子传输动力学，从而显著提升了电极表面稳定性与反应可逆性。

图4 全电池性能表征

  在全电池测试中，团队进一步验证了双阳离子体系在宽温域下优异的电化学性能。以聚苯胺（PANI）为正极的Zn||PANI电池在50至–80 ^oC宽温域表现出卓越的倍率性能，同时软包电池在–70 ^oC下循环500次仍具高稳定容量，体现了双阳离子体系的高离子传输效率与界面稳定性。此外，在无机正极体系（Zn||Zn_0.25V₂O₅）中也验证了双阳离子策略的普适性，为极端环境下的储能应用提供了新的解决思路。

  该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金及上海市自然科学基金的资助与支持。

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64278-1