【研究背景】
水系鋅離子電池因其安全性高、成本低及環境友好等優勢，被認為是大規模儲能的重要候選體系。然而，其關鍵問題在于界面不穩定性與庫侖效率低，主要源于鋅負極處水的副反應（析氫）以及由此誘導的枝晶生長。從本質上看，這些問題與Zn2+在水溶液中的溶劑化結構密切相關。在傳統稀電解液中，Zn2+以Zn(H2O)62+形式存在，水分子占據第一溶劑化殼層并直接參與界面電子轉移過程，導致水的還原穩定性降低。
現有策略多集中于調控第一溶劑化殼層，例如通過引入有機溶劑或構建高濃度“water-in-salt”電解液，使陰離子進入第一殼層并優先分解形成SEI。盡管這些方法在一定程度上改善了界面穩定性，但通常伴隨著電解液粘度升高、離子電導率下降以及成本增加等問題，難以在稀電解液體系中同時實現快速動力學與穩定界面。因此，如何突破“界面穩定性與傳輸性能難以兼顧”的瓶頸，仍是水系電解液設計的核心挑戰。
值得注意的是，最新發表于 Nature Nanotechnology（2026）的工作延續了董德健在醋酸鋅電解液體系中的研究主線，是繼 Nature Sustainability（2023）之后在該體系上的第二篇 Nature 系列期刊成果。
在前期工作中，董德健圍繞醋酸鋅體系實現了關鍵性的增溶突破。通過調控溶劑分子與 acetate 的配位方式，使其由傳統的雙齒配位轉變為單齒配位，從而顯著提升了 Zn(Ac)2 在水中的溶解度，將體系由原本受限的稀溶液推進至高濃度區間。這一工作不僅突破了醋酸鹽體系的溶解度瓶頸，也使高濃度水系電解液成為可能，為后續界面調控與性能優化提供了體系基礎。在此基礎上，本工作進一步將研究重點由“濃度提升”轉向“溶劑化結構設計”，以三氟化醋酸為關鍵分子，提出“陰離子橋接第二水合殼層”的電解液設計策略。通過構建跨殼層的 Zn2+–陰離子–H2O 協同溶劑化結構，實現界面穩定性與離子傳輸性能的協同優化。
【工作簡介】
近日，美國馬里蘭大學董德健博士和其導師王春生教授攜手提出了一種“陰離子橋接的第二水合殼層”電解液設計策略。該策略通過引入具有高供體數且具備良好親水性的含氟陰離子，使其不僅能夠進入Zn2+第一水合殼層參與配位，同時還可通過氫鍵作用與第二水合殼層中的水分子發生相互作用，從而構建Zn2+–anion–H2O的跨殼層橋接結構。
這一結構使陰離子在局部環境中富集并參與界面反應，促進ZnF2富集SEI的形成，同時避免了傳統強配位陰離子易導致鹽析的問題，并保持了電解液整體的低濃度特征與高離子電導率。基于該設計構建的2 M電解液體系表現出優異性能：電導率可達約25 mS cm-1，在Zn//Cu半電池中實現99.9%的庫侖效率，在Zn//NaV3O8·1.5H2O全電池中實現99.99%的庫侖效率，并展現出超過8000次的長循環穩定性。
該研究通過引入第二水合殼層作為新的調控維度，實現了界面穩定性與離子傳輸性能的協同優化，為稀水系電解液的設計提供了新的思路。
【內容表述】
圖1. 不同水系電解液中溶劑化結構的示意圖。包括傳統稀電解液中水主導的溶劑化結構、水-有機混合體系以及water-in-salt體系中陰離子主導的第一殼層結構，以及本文提出的陰離子橋接第一與第二水合殼層的新型溶劑化結構。
圖2. 陰離子設計原則與溶劑化結構調控。
圖3. 溶劑化結構的實驗表征。
圖4. 溶劑化結構的多尺度表征。
圖5. 電化學性能與界面行為。
【結論】
本工作提出了一種基于“陰離子橋接第二水合殼層”的水系電解液設計策略，通過構建Zn2+–anion–H2O的跨殼層溶劑化結構，實現了對界面反應與離子傳輸行為的協同調控。實驗與理論結果表明，所設計的高供體數、親水性含氟陰離子能夠同時參與第一殼層配位與第二殼層氫鍵網絡構建，在保證高溶解度與高電導率的同時，誘導形成穩定的ZnF2富集SEI層。
該體系在稀電解液條件下實現了高庫侖效率與長循環穩定性，突破了傳統水系電解液中界面穩定性與動力學之間的權衡關系。該研究表明，通過調控多層級溶劑化結構，可以實現對電解液性能的精細設計，為水系電池及其他多價離子體系中的電解液開發提供了新的思路。
