中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授团队研发高安全的水系锌离子电池

背景与挑战

随着全球能源危机和环境问题日益突出，可再生能源和高效储能系统的发展迫在眉睫。传统锂离子电池虽然性能优异，但面临资源稀缺、成本高和安全隐患等问题。作为替代方案，水系锌离子电池凭借其资源丰富、成本低、环境友好和安全性高等优势，受到广泛关注。然而，锌枝晶生长、析氢反应以及电极材料不稳定等挑战严重限制了水系锌离子电池的实际应用和商业化进程。

为了突破这些技术瓶颈，中国科学技术大学＂创锌能源＂团队在宋礼教授的指导下，致力于开发高安全、长寿命的水系锌离子电池系统，为未来清洁能源的发展贡献力量。

同心协力，共创未来

＂创锌能源＂团队于2024年在宋礼教授的指导下正式成立，迅速成长为一支跨学科的创新研究团队。宋礼教授作为国家同步辐射实验室的博士生导师，在材料科学和电化学领域拥有深厚的专业知识和丰富的研究经验，为团队提供了专业指导和战略方向。

中国科学技术大学作为团队的研发基地，提供了先进的实验设备和完善的研究平台，包括国家同步辐射实验室的尖端分析技术支持，为团队的科研工作奠定了坚实基础。学校通过多种渠道的资金支持，确保项目的顺利进行，并鼓励团队成员积极参与各类学术竞赛和创新项目，积累实践经验。

许翰宸同学作为团队负责人，展现了出色的组织和协调能力，有效整合各方资源，确保研究工作的顺利开展。他敏锐的科研洞察力和果断的决策能力，使团队在面对研究难题时能够迅速调整策略，保持研究进度。

团队成员各司其职，形成了高效协作的研究体系。文路瑶同学负责电极材料设计与表征，凭借其在材料合成领域的专长，开发了创新的表面修饰技术；周倩同学专注于电解液配方优化，成功解决了电池在低温环境下的性能问题；谢尚鑫同学负责电池组装与性能测试，建立了完善的测试评价体系；韩小宇同学专注于理论计算与模拟，为材料设计提供理论指导；韩睿祥同学负责市场分析与应用研究，确保技术研发方向符合市场需求；刘博渊同学负责专利申请与知识产权保护，为团队科研成果转化奠定法律基础。由于市场应用方面经验不足，团队请到了徐春明（南京德毅治电子商务有限公司监事）作为企业顾问，给予了项目市场渠道方面的大力支持，耐心指导本项目完成市场化落地。

在短短一年时间内，团队已申请15项发明专利，发表7篇高水平学术论文，篇软著，并与多家企业建立了合作关系，为技术转化应用铺平道路。团队通过定期研讨会、文献分享和技术交流，不断优化研究方案，解决技术难题，最终研发出高安全、长寿命的水系锌离子电池系统。

迎难而上，革故鼎新

面对水系锌离子电池发展的关键挑战，＂创锌能源＂团队提出了三项创新技术，显著提升了电池的性能和安全性：

创新技术1：负极与隔膜优化设计

团队自主研发了表面自组装单分子层技术，通过在锌金属表面构建均匀稳定的保护层，有效抑制了锌枝晶的生长和扩散。这种新型涂层不仅提高了锌离子的传输效率，还显著降低了析氢反应的发生，解决了传统锌电极材料的稳定性问题。

同时，团队采用先进工艺对商业隔膜进行功能化修饰，开发出具有选择性离子传输通道的复合隔膜，有效阻止锌离子在电极表面的不均匀沉积。这种定制化隔膜材料大幅延长了电池循环寿命，提高了电池的安全性和可靠性。

此外，团队设计了新型电解液体系，通过添加特定添加剂和调整电解质浓度，成功将电池的使用温度范围扩展至－40°C至60°C，解决了传统水系电池在极端温度下的性能衰减问题，实现了超低温条件下稳定工作的水系锌离子电池。

创新技术2：高性能正极材料开发

团队通过精确控制的合成方法，成功制备了含有量化钒缺陷的V₂O₃正极材料。这种独特的缺陷结构提供了更多的活性位点和快速的离子传输通道，使电池在高电流密度下仍能保持优异的容量和循环稳定性。经过严格测试，基于这种材料的水系锌离子电池实现了30000次以上的长循环寿命，远超传统电池技术。

另一项突破是团队开发的铵根插层V₂O₅正极材料，通过铵离子的合理插层，显著扩大了层间距，促进了锌离子的快速嵌入／脱出。这种结构设计使电池充电时间缩短至仅需18秒，为快充储能器件的发展开辟了新途径

创新技术3：柔性电极材料研发

针对可穿戴设备的特殊需求，团队设计了自支撑柔性膜电极VN＠CNT。这种复合电极结合了氮化钒的高容量特性和碳纳米管的机械柔韧性，通过特殊的自组装工艺制备成柔性膜状结构，无需额外的粘结剂和集流体。这种创新电极在反复弯曲和扭曲条件下仍能保持电化学性能稳定，为柔性可穿戴电子设备提供了理想的能源解决方案。

持之以恒，安全传承

＂创锌能源＂团队开发的高安全水系锌离子电池技术具有广阔的市场前景。首先，在便携式电子设备领域，其高安全性和长循环寿命满足了消费电子产品对电池的严格要求；其次，在电动交通工具领域，特别是电动自行车和城市物流车辆方面，该技术提供了更安全、更经济的动力电池解决方案；第三，在分布式能源存储系统中，特别是家庭和社区规模的太阳能储能系统，水系锌离子电池的安全性和环保特性具有显著优势。

与传统锂离子电池相比，该技术在安全性、成本和环境友好性方面表现突出。在安全方面，水系电解质消除了火灾和爆炸风险；在成本方面，锌资源丰富且提取成本低，使得最终产品价格更具竞争力；在环境方面，生产过程中不使用有毒有害物质，废弃电池处理更加环保。

砥砺前行，光明未来

＂经过一年的研发攻关，我们不仅突破了水系锌离子电池的技术瓶颈，也切身体会到了科研创新的艰辛与喜悦。看到许多材料科学和能源领域的学生拥有扎实的理论知识却难以将其应用于解决实际问题的困境，我们更加坚定了继续深耕电池技术，促进学术与产业融合的决心。＂许翰宸同学表示。

未来，＂创锌能源＂团队将围绕三个方向继续努力：一是进一步优化电池系统，提高能量密度和功率密度；二是扩大产品应用场景，开发针对不同应用需求的定制化解决方案；三是推进技术产业化，计划在2025年底前完成小规模中试生产，2026年实现商业化量产。

团队的愿景是将研发的高安全水系锌离子电池技术推向市场，为清洁能源和绿色交通事业做出贡献，同时为材料科学和电化学领域的学生们提供理论联系实际的平台，培养更多具有创新精神和实践能力的科技人才。正如宋礼教授所言：＂未来能源的发展方向是清洁、高效、安全，而我们的使命就是通过不断创新，让绿色能源技术真正服务于人类社会的可持续发展。＂（中国科学技术大学、宋礼）