迄今最高！王春生教授，最新Nature Sustainability！

熵作为热力学第二定律的一个代名词，一般是说明能量在空间中分布的混乱程度。其中如果熵越大，则能量的分布越混乱。推而广之，不只是能量，乃是宇宙，都是在建立次序的过程中，因此熵都在降低的过程。

与之不同的是，一些特殊的领域，比如最近火热的锂电池领域，连发三篇高熵文章，其中两篇发表在Nature和Science（），接下来将介绍美国马里兰大学王春生教授，美国陆军实验室Oleg Borodin关于高熵稳定电解液的文章。

研究背景

环境和资源的可持续性发展对于开发下一代电池技术变得越来越重要。目前，锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度和长循环寿命而在这一领域占据主导地位。然而，随着对储能容量的需求持续增加，锂和过渡金属供应受限而导致的价格和资源波动越来越受到关注。

此外，LIBs需要能源密集型制造工艺，通常会使用有毒和不环保的化学品。同时，LIBs循环过程中的潜在安全问题及其对附带的部件的耐受性也没有完全解决。由于锌（Zn）负极与水系电解液相容，水系锌电池已成为有前途的互补化学系统之一。同时，Zn相对丰富，并拥有成熟的回收基础设施，但遇到的难点还有很多没有解决。

主要内容

在这项工作中，马里兰大学王春生教授，美国陆军实验室Oleg Borodin在Nature Sustainability上以“All-temperature zinc batteries with high-entropy aqueous electrolyte”为题发表了重要研究成果。

作者报道了将氯化锂（LiCl）作为支撑盐添加到氯化锌（ZnCl₂）水系电解液中形成R可变的Li₂ZnCl₄·RH₂O，在-60℃~+80℃之间循环的电池，能够实现100%的库伦效率，这是迄今为止的最高值！

本文使用Li₂ZnCl₄·9H₂O电解液引出了高熵电解液的概念，其中Li-Cl解离，[ZnCl_4-m^2-m]_n阴离子聚集体长度的减少和游离水溶剂氢键网络的破坏共同作用，产生了具有高熵的独特受挫溶剂化结构，有助于在溶剂稳定并抑制结晶的情况下保持出色的离子电导率。

图1. 宽温度窗口下的传输特性

在低盐浓度下，水要么作为游离溶剂网络的一部分保留，要么被锂离子优先配位，随着盐浓度的增加而游离水消除，而Cl^–离子优先形成ZnCl₄^2-阴离子或小的[ZnCl_4-m^2-m]_n阴离子团簇（m=0、1或2，即相邻的Zn阳离子共享1 Cl或2 Cl；n≤3）。

这些阴离子簇的长度受到随着R减小而出现的Li-Cl接触增加的限制，从而保持了高离子电导率。通过优化 R，Li₂ZnCl₄·9H₂O电解液最大限度地展现了高熵电解液（HEE）的性质，同时抑制低温下的水解和结晶。

图2. 溶剂化结构

图3. 锌金属负极性能

同时实现了宽电化学稳定性窗口（优于“盐包水”电解液）和出色的工作温度范围（-80°C至+80°C）。通过表征发现，电解液的溶剂化结构、输运和电化学稳定性之间的关系为理解提供了基础，激发了水系金属离子电池电解液的未来设计。

此外，作为高熵溶剂化环境概念有效性的证明，锌空气电池在-60°C至20°C的温度范围内实现了前所未有的稳定性。

图4. 锌空气电池的性能

尽管含氯化电解液在商业化原电池（例如，锌-二氧化锰电池，锌-碳电池，锂-亚硫酰氯电池）中广泛使用，并可用于可充电多价离子电池（例如，锌离子，镁离子和铝离子），但腐蚀问题可能需要通过防腐涂层，抑制剂或碳化集流体等策略来解决。

Yang, C., Xia, J., Cui, C. et al. All-temperature zinc batteries with high-entropy aqueous electrolyte. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-022-01028-x

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