Nano-Micro Letters (2026)18: 226
https://doi.org/10.1007/s40820-025-02048-w
1. 衰退机理梳理:系统总结锰 / 钒基材料、硫族与卤素材料、普鲁士蓝类似物及 Ni (OH)₂等先进水系电池正极的失效机理。
2. 电解液工程调控:综述体相电解液改性、电解液添加剂、盐包水电解液与水凝胶电解液在提升正极材料稳定性方面的研究进展。
3. 设计展望建议:提出面向高稳定性水系电池正极的未来电解液设计应重点关注的关键问题。

水系电池以水为电解液,本征安全、成本低廉、环境友好,在大规模储能场景中具有有机电池不可替代的优势。然而传统铅酸与碱性镍电池能量密度低、度电成本高,难以满足未来高安全储能需求;近十余年兴起的水系锌离子、锂 / 钠离子电池虽材料体系丰富,却鲜有真正走向商业化,其中关键瓶颈正在正极材料稳定性。水分子在正极工作电压下活性极高,锰、钒、卤素等活性物质不断溶解并穿梭至负极,造成活性物质流失、负极腐蚀与库仑效率下降;正极结构退化又反过来加剧溶解、引发局部pH波动与产气。失效还与离子嵌入导致的晶格膨胀收缩、相变畸变等本征退化叠加。因此,认识各类正极的失效机理,并通过电解液工程直接调控水分子活度与界面反应,成为打通水系电池商业化堵点的核心科学与技术问题。
针对上述问题,西安交通大学丁书江&赵洪洋团队围绕”电解液工程稳定水系电池正极”这一主题展开,首先按材料体系系统总结了六类主流水系正极在水基电解液中的失效机制:锰基正极的Jahn–Teller畸变、Mn²⁺溶解与惰性相生成;钒基正极的持续溶解、十钒酸盐中间体转化与电压衰减;卤素与硫族正极的多卤/多硫离子穿梭、水解与缓慢固固转化;普鲁士蓝类似物的J–T畸变、A位阳离子滑移与水致结构破坏;以及Ni(OH)₂的相转变、γ-NiOOH溶胀与析氧副反应。在此基础上,梳理了四条电解液工程路径:有机共溶剂的本体调控、微量添加剂、盐包水电解质与凝胶电解质,分别从溶剂化重排、界面成膜、消除自由水与准固态限水等角度抑制正极溶解与穿梭。最后从电解液用量匹配、负极兼容性与有机可燃风险三方面指出实用化必须正视的问题,并展望低成本天然添加剂与多策略协同方向。
I 水系电解液中的正极失效
图1. 锰基正极在碱性、近中性与酸性条件下的降解机理示意。
II 基于电解液工程的正极稳定策略——电解液整体调控
图2. (a)DMC/H₂O相分离照片与MD快照;(b)不同DMC/H₂O电解液的FTIR;(c–d)V₂O₅・nH₂O在不同电解液中的溶解与对应ICP-MS;(e–f)Li⁺第一配位层与正极表面CEI组成。
图3. (a–c)锌溴电池电压曲线、多卤络合物照片与促凝盐盐析效应;(d–f)PEG杂化电解液对碘氧化还原的调控与不同电解液中碘物种溶解照片、紫外–可见光谱;(g)四电子碘转化与I⁺水解;(h–i)含TEA⁺的Janus界面与循环稳定性。
图4. (a)WiSE中放电后V₂O₅电极的HAADF图像;(b)V₂O₅在1 A g⁻¹下的循环稳定性;(c)高温下不同电解液中V₂O₅的电荷保持与恢复;(d–e)3m ZnSO₄与30 m ZnCl₂在不同扫速下的CV;(f–g)不同电解液体系中ICl的紫外–可见与拉曼光谱。
图5. (a)原位电聚合形成紧密界面的电池制备示意;(b)−30 ℃存放后的凝胶照片;(c–d)WiETG电解液组成与CMC-PAM聚合物形貌;(e)PCH对碘正极与锌负极的催化作用;(f)PC-PVA、PC和PVA凝胶的C 1s XPS谱;(g)Na₂SO₄–SiO₂凝胶电解液的FTIR;(h–i)疏水调控凝胶结构与电化学稳定窗口。
丁书江
本文通讯作者
西安交通大学 教授
▍主要研究成果
丁书江,西安交通大学化学学院教授,博士生导师,西安交通大学化学学院院长。陕西省杰出青年基金获得者,入选国家高层次人才,陕西省“青年科技新星”。西安交通大学腾飞特聘教授、西安交通大学青年拔尖A类入选者。研究工作涉及高分子/无机物纳米结构复合材料的设计,制备及其在电化学储能(锂/钠离子电池、锂硫电池、固态电池、燃料电池、锂离子电池回收)、传感器等方面的应用基础研究。以第一作者或者通讯作者身份在Nat. Commun., Sci. Adv., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等期刊上发表论文260余篇。科研项目包括国家自然科学基金重点、面上和青年项目,博士点基金、陕西省基金等。获奖包括:2016年陕西青年科技奖,2017年陕西省高等学校科学技术奖一等奖(第一完成人)。曾入选科睿唯安(Clarivate)交叉学科领域的全球高被引科学家,爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者。
▍Email:dingsj@mail.xjtu.edu.cn
撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部
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