研究背景
随着可再生能源的大规模发展，迫切需要开发兼具高安全性、高能量密度以及低成本优势的新型储能技术。水系锌电池凭借锌资源丰富、理论容量高、本征安全性好等特点，被认为是面向大规模储能应用的重要候选体系。其中，锌碘电池因其独特的多电子氧化还原反应和较高理论能量密度受到广泛关注。相比传统两电子I⁻/I₂转化体系，四电子I⁻/I⁰/I⁺氧化还原反应能够进一步提升电池容量。然而，在实际运行过程中，高价态碘物种（I⁺）具有较强反应活性，容易发生水解；同时，多碘化物的溶解与迁移会引发严重的穿梭效应，导致活性物质损失和库仑效率降低。此外，锌负极在长期循环过程中仍面临枝晶生长、腐蚀以及副反应等问题。尤其是在高载量正极和Ah级软包电池条件下，正负极界面的失效行为进一步加剧，成为限制四电子锌碘电池走向实际应用的关键瓶颈。
成果概述
近日，来自中国科学院大连化学物理研究所的陈忠伟院士和汪冬冬研究员，在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Unveiling Dual-Interface Coordination Orchestration for Durable Aqueous Zinc-Iodine Pouch Cells with Four-Electron Chemistry”的研究文章（DOI：10.1021/jacs.6c11308）。提出了一种双界面配位协同调控策略，通过系统筛选多类含氮阳离子配体，最终确定N-methylimidazolium chloride（MImCl）作为电解液双界面多功能添加剂，实现了对四电子锌碘电池正负极界面的同步稳定。该策略突破了传统单一界面调控模式，通过MIm⁺在电池运行过程中的动态迁移，实现了“正极稳定碘物种、负极调控锌沉积”的双重功能。基于该双界面配位调控策略，所构筑的四电子锌碘电池展现出优异的循环稳定性和倍率性能，并进一步实现了Ah级软包电池验证。在高载量碘正极和高面容量锌负极条件下，软包电池仍保持稳定运行800圈，证明了该策略在推动高能量密度水系锌碘电池实际应用中的潜力。该工作为解决四电子锌碘电池中复杂界面失效问题提供了新的设计理念，也为高安全、高容量水系储能体系的发展提供了重要参考。
图文解析
图1. 多类含氮配体筛选标准与MImCl双界面协同稳定机理
图1| a 不同添加剂与I₃⁻之间的结合能，以及不同添加剂体系中I⁺/I⁰转化过程的容量贡献；b 不同添加剂体系的库仑效率和锌成核过电位；c 电场驱动动态迁移作用下，MImCl实现双界面稳定化的示意图。
通过筛选含氮阳离子配体，MImCl被确定为一种高效双功能添加剂。在电场驱动下，MIm⁺可在充放电过程中动态迁移并实现双界面协同调控：充电时吸附于锌负极，降低成核势垒并诱导均匀沉积；放电时迁移至碘正极，通过配位固定多碘物种并稳定高价I⁺中间体，最终实现锌负极保护与I⁻/I⁰/I⁺四电子反应的稳定运行。
图2. 分子动力学与原位谱学验证MIm+动态界面吸附行为
图2| a ZSO/MImCl电解液充放电过程的分子动力学模拟；MD模拟得到的 b 充电和 c 放电过程中电极/电解液界面处MIm⁺的分布；在d ZSO 和 e ZSO/MImCl电解液中充电过程中Zn负极的原位SERS光谱；在 f ZSO 和 g ZSO/MImCl电解液中1.8-0.6 V放电过程中碘正极的原位ATR-FTIR光谱。
分子动力学模拟结合原位光谱表征揭示，MIm⁺能够响应电极状态变化，在电场驱动下实现可逆的界面迁移与动态重构。在充电过程中，MIm⁺向锌负极界面定向富集，通过调节局部溶剂化结构和离子传输环境，降低Zn²⁺沉积动力学障碍，促进均匀致密的锌沉积；在放电过程中，MIm⁺重新迁移至碘正极界面，并通过配位相互作用增强对多碘化物的固定能力，稳定高价碘中间体，抑制活性碘物种迁移与副反应发生。该电场驱动的可逆迁移行为赋予MIm⁺动态自适应调控能力，实现了锌负极稳定与四电子碘氧化还原过程调控的双界面协同优化。
图3. MImCl抑制锌枝晶与寄生副反应多尺度表征
图3| a ZSO 和 b ZSO/MImCl 电解液中Zn沉积后的SEM图像；c ZSO 和 d ZSO/MImCl 电解液中循环后Zn负极表面SEM图像；e ZSO 和 f ZSO/MImCl 电解液中循环后锌负极截面SEM图像；g ZSO 和 h ZSO/MImCl 电解液中Zn沉积后的三维CLSM图像；i 不同电解液的线性极化曲线；j 原位pH监测；k ZSO 和 l ZSO/MImCl 电解液中循环后锌负极二维拉曼mapping图；使用 m ZSO 和 n ZSO/MImCl 电解液的Zn||Zn对称电池循环过程中的原位EIS测试；o ZSO 和 p ZSO/MImCl 电解液中Zn沉积/剥离过程中SO₄²⁻演变的原位SERS光谱；使用不同电解液的 q Zn||Cu和 r Zn||Zn软包电池循环性能。
MImCl通过调节Zn²⁺溶剂化结构和界面离子传输行为，有效降低锌成核过电位，促进均匀的Zn²⁺沉积动力学，从而诱导形成致密、平整且无枝晶的锌沉积层。同时，MIm⁺在锌负极界面的优先吸附能够构建稳定的保护层，抑制水分解引发的析氢反应以及界面副产物累积，维持长期稳定的电极/电解液界面。因此，在高面积容量和高利用率锌负极条件下，MImCl体系仍能够实现高度可逆的锌沉积/剥离过程，显著提升锌负极的循环稳定性。
图4. 碘正极多碘穿梭抑制与高价碘稳定表征
图4| a ZSO 和 b ZSO/MImCl 电解液中充电过程中的原位UV-vis光谱；c Zn||I₂电池自放电性能；d ZSO/MImCl 电解液中不同电位下碘正极的高分辨 I 3d XPS光谱；e ZSO 和 f ZSO/MImCl 电解液中Zn||I₂电池循环过程中的恒流充放电曲线和原位拉曼光谱；g MIm-ICl₂复合物的质谱；h I⁺/I⁰和i I⁰/I⁻还原反应的Tafel斜率；j ZSO/NaCl和ZSO/MImCl中不同碘物种结合能计算。
MIm⁺能够与多碘化物及ICl₂⁻高价碘中间体形成稳定的配位结构，通过增强界面对活性碘物种的固定作用，有效抑制溶解态多碘化物的迁移与穿梭。同时，MIm⁺的配位调控作用能够优化I⁰/I⁺氧化还原过程的反应动力学，降低高价碘转化过程中的能垒，提升I⁺物种在水系环境中的稳定性，从而促进可逆的I⁻/I⁰/I⁺四电子氧化还原反应，实现高容量锌碘电池的稳定运行。
图5. 锌碘全电池电化学性能
图5 |a 不同电解液Zn||I₂全电池的CV曲线；b 高碘载量Zn||I₂全电池的倍率性能；c 对应的恒流充放电曲线；高载量Zn||I₂全电池在d 2C和 e 20C条件下的循环性能；f Ah级Zn||I₂软包电池循环性能；g 与已报道Ah级锌基软包电池的能量密度和循环寿命对比；h满充状态软包电池静置24 h后的自放电性能。
基于MImCl电解液体系，Zn||I₂电池成功突破了高载量碘正极下活性物种失稳和循环衰减的关键瓶颈，实现了兼具高容量输出与长期循环稳定性的储能性能。进一步构筑的1.4 Ah级Zn||I₂软包电池达到了基于碘正极活性物质455 Wh kg⁻¹的高能量密度，并实现800圈稳定循环，证明了该策略在实际规模化水系锌电池中的应用潜力，为下一代安全、高能量密度水系储能技术的发展提供了重要支撑。
综上所述，该工作运用电场导向的动态双界面配位策略，赋予MIm⁺锌负极疏水抑氢与碘正极锚定I⁺的双重特性，从而协同抑制了枝晶生长与多碘穿梭效应，同时，本文攻克了Ah级软包电池在高载碘下的界面失效难题，实现了高能量密度、长循环寿命的四电子锌碘电池，为开发高安全、可实用的Ah级多电子水系卤素电池提供了新的视角。
作者简介
通讯作者：陈忠伟，男，1975年生于浙江省。研究员、博士生导师，加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士，国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席。现任能源催化转化全国重点实验室主任、中国科学院大连化学物理研究所动力电池与系统研究部部长。陈忠伟致力于电化学能源催化转化与储存领域的研究。率先开展了一维纳米贵金属燃料电池催化剂的系统性研究，开创性的提出和设计“动态催化”双功能催化剂并成功应用于兆瓦级锌空气电池；提出“限域表界面”催化新概念，设计了高催化活性、高选择性和持久稳定性的催化剂，取得了国际认可的原创性和系统性成果。在重要学术刊物上发表论文450余篇，其中Nat. Energy 3篇、Nature Nanotech. 1篇、Nat. Rev. Mater. 1篇、PNAS 1篇、J. Am. Chem. Soc. 8篇、Angew. Chem. Int. Ed. 18篇、Nat. Commun. 11篇、Adv. Mater. 26篇、Chem. Soc. Rev. 5篇、Chem. Rev. 1篇，被引45000多次，H因子达111，著作3部，申请/授权专利90余项，任中国化学会Renewables期刊主编，Royal Society of Chemistry -Energ. Environ. Book Series主编，曾任ACS Appl. Mater. Interfaces副主编。陈忠伟曾连续五年被评为“年度高被引科学家”，全世界TOP100,000科学家、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家（Tier I）、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、全球能源科学与工程领域高被引学者、2018年卢瑟福纪念奖章、国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等国际奖项。
通讯作者：汪冬冬，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，入选中国科学院专项人才项目、大连化物所“张大煜青年学者”及辽宁省兴辽英才计划。申请人主要专注于动力及储能电池体系及其功能电解液基础研究与开发，具体涵盖：(1) 下一代锂/钠电池新型功能电解液体系探索开发及基础科学问题研究；(2) 高比能锂金属动力电池在极端领域应用下的新型电解液开发（包括宽温域、快充、高电压等）；(3) 高安全、低成本、高电压水系锌离子储能电池。近五年来，以第一/通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等高水平期刊发表学术论文30余篇，申请发明专利15件。承担国家自然科学基金委青年科学基金等项目。担任Materials Report Energy、Renewables等期刊的青年编委。
第一作者：陈玉峰，男，博士，山东大学化学与化工学院，目前在大连化学物理研究所进行联合培养。
课题组简介
动力电池与系统研究部隶属于能源催化转化全国重点实验室，以加拿大皇家科学院和加拿大工程院陈忠伟院士为核心组建的高水平创新研究团队。动力电池与系统研究部面向国家在能源革命中对低成本、高容量、高安全性、高便利性的新型电池技术的重大需求，聚焦动力电池领域的关键科学与技术问题，开展电化学、能源、材料、人工智能等多学科交叉融合的创新研究。研究方向包含高比能/高比功率锂基电池、高安全性钠离子电池、低成本锌空气/锌离子电池、固态电池、燃料电池、二氧化碳电催化转化、人工智能电池管理。主要围绕催化剂创新创制、电池材料开发、电池工作机制探究、新型电池结构设计、储能方法学研究、人工智能电池管理系统开发、工艺工程以及产业化开发等核心问题，开展包括基础研究、应用技术研发和产业化示范在内的系统性全链条式的研究工作。
本团队常年招聘博士后，主要聚焦于高安全水系储能电池、有机合成方向以及高比能动力电池方向，待遇优厚，有意者请联系汪老师（dongdongwang@dicp.ac.cn）。
论文信息
Chen, Y.; Liu, R.; Hu, J.; Luo, D.; Wang, D.; Chen, Z. Unveiling Dual-Interface Coordination Orchestration for Durable Aqueous Zinc-Iodine Pouch Cells with Four-Electron Chemistry. J. Am. Chem. Soc.2026. https://doi.org/10.1021/jacs.6c11308
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