近日，材料科学与工程学院吴敬一教授课题组在海水系锌基储能领域取得新进展，相关成果相继发表于国际知名学术期刊Advanced Energy Materials（《先进能源材料》）、Advanced Functional Materials（《先进功能材料》）和Energy Storage Materials（《储能材料》）。
在沿海可再生能源并网与深海探测的双重需求驱动下，海水锌离子电池凭借其与海洋环境的高度适配性，成为海洋储能领域的重要发展方向。其中，海水基锌-碘电池因具备多电子转移氧化还原对构建能力，有望实现较高能量密度，因而受到广泛关注。然而，海水基电解液中高浓度Cl⁻与水分子的共存，使得锌负极Cl⁻腐蚀和正极界面处高活性I⁺中间体的水解问题尤为突出，严重制约电池性能。这要求隔膜兼具精确的离子筛分能力与界面调控功能，将海水基电解液的体相特性转化为有利于电极反应的局部微环境。然而，商用玻璃纤维隔膜因孔隙大、表面化学惰性且缺乏离子选择性，难以满足需求。
针对上述难题，研究团队设计了一种具有电荷梯度和精细调控润湿性的可规模化隔膜，通过调控电极界面微环境解决了海水基锌-碘电池的关键瓶颈。隔膜的非对称电荷分布驱动Cl⁻在碘正极界面富集，形成局部高Cl⁻微环境以稳定I⁺；同时，精细调控的润湿性降低了界面水活度，有效抑制了水诱导的副反应。得益于此，锌-碘全电池在10 A g-1下经过50 000次循环后，每圈容量衰减仅0.0013%；在低N/P比（≈2.5）和低温（-20°C）等苛刻条件下仍能稳定运行。团队进一步组装了Ah级软包电池（≈1.3 Ah），稳定循环超过450圈。该工作为实现高性能、低成本的四电子锌-碘电池提供了新策略。相关创新研究成果“Separator Engineering Enables Ah Level Four Electron Zn-I2 Batteries in Seawater Based Electrolyte”（隔膜工程赋能海水基电解液实现安时级四电子锌-碘电池）日前发表于《储能材料》（Energy Storage Materials），第一作者是学院2023级博士生董艳莹，中国海洋大学为第一通讯单位。
隔膜作用机制示意图
针对传统静态功能隔膜难以适配动态演变的电解液微环境、无法同时兼顾正负极界面稳定的问题，研究团队构建了具有pH响应离子门控功能的复合隔膜。聚乙烯亚胺分子可随局域pH变化可逆调整构象：酸性环境下链段伸展形成有序离子通道，促进Zn²⁺均匀传输；碱性微区则释放质子缓冲pH并抑制局部Zn²⁺过载，从源头抑制枝晶与副反应。同时，其氮活性位点可逆捕获多碘化物，抑制穿梭效应。基于该隔膜的锌-碘电池在 10 A g-1下稳定循环超64000次，容量保持率71%，单圈衰减率仅0.00044%；低 N/P 比（≈1.8）条件下稳定循环 500 次，容量保持率 88%；组装的软包电池循环400次容量保持率 81%，并兼具优异的抗机械损伤性能。该工作建立的“pH 响应动态门控协同正负极双向协同调控”设计范式，为长寿命水系锌碘电池的实用化提供了全新的机理指导。相关创新研究成果“pH-responsive ion gating for durable aqueous zinc-iodine batteries”（pH响应离子门控实现高稳定水系锌-碘电池）日前发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials），第一作者是学院 2024 级博士生黄海晟，中国海洋大学为第一通讯单位。
隔膜 pH 响应离子门控机制示意图
针对于锌负极的腐蚀和枝晶生长问题，研究团队提出了一种具有缓释作用的水凝胶电解质。该凝胶电解质可以在电场作用下释放镓铟液态金属到负极表面，并自发与负极形成合金，这有助于提高负极的抗腐蚀能力，缓解界面处的副反应，提升锌沉积的均匀性，并延长锌离子电池的循环寿命。基于该凝胶电解质组装的对称电池循环寿命超过6000 h，并且在42.7%的放电深度下，循环寿命超过1200 h。这项工作为构筑高可逆锌金属负极和实用化柔性水系锌离子装置提供了可行的途径。相关创新研究成果“Composite Hydrogels with Controlled Liquid Metal Release for Dendrite Free Zinc Anodes”（可控释放液态金属的复合水凝胶用于无枝晶锌负极）日前发表于《先进能源材料》（Advanced Energy Materials），第一作者是学院2023级博士生王兴杰，中国海洋大学为第一通讯单位。
水凝胶调控锌负极沉积示意图和表征图
上述研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市自然科学基金及中央高校基本科研业务费等项目的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105443
https://doi.org/10.1002/adfm.77435
https://doi.org/10.1002/aenm.71504
文/图：董艳莹、王兴杰、黄海晟
