北理工團隊在仿生抗凍材料助力低溫水系鋅電池長期運行研究中取得研究進展
發布日期：2025-04-08 供稿：材料學院 陳小婷 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數：
近日，北京理工大學賀志遠教授課題組在仿生抗凍材料助力低溫水系鋅電池長期運行研究中取得重要進展。2025年4月，相關研究成果以“Antifreeze Protein Mimics Realizing Stable Low-Temperature-Resistant Aqueous Zn-ion Batteries with High Water Content”為題在國際知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發表。北京理工大學賀志遠教授、王丹老師和陳小婷老師為論文共同通訊作者，碩士生朱澤宇和馬浩然為論文的共同第一作者。
水系鋅離子電池憑借其高理論容量、高離子電導率、成本低、對環境友好等優勢，被視為傳統儲能設備的替代品。然而，在低溫環境下由于電解質的凍結，會大幅降低水系鋅電池的離子電導率，充放電容量以及使用壽命。目前，提升水系鋅電低溫運行的方法包括高濃度電解質、水凝膠電解質、添加抗凍劑等，這些方法往往會造成水的損失，使得電池安全性降低，成本增。
鑒于此，課題組從仿生抗凍材料出發，通過仿照抗凍蛋白在生物細胞凍存中修飾冰晶形貌，抑制冰再結晶的功能，制備了氧化氮化碳量子點（OQCNs）對凍結電解質進行修飾改性。實驗結果表明，極少量的OQCNs（5 mg/mL）在三氟甲烷磺酸鋅溶液中可以顯著抑制冰生長。在-30℃下，經OQCNs改性后的鋅鋅對稱電池在可以穩定運行超1000 h，Zn||NH4+-V2O5全電池可以穩定運行超5000圈（約90天）。計算模擬的相關結果也顯示，OQCNs特征結構與冰晶表面尺寸匹配良好，利于其吸附在冰晶表面形成曲率，從而根據Gibbs-Thomson效應降低局部冰點，低溫下可以顯著抑制冰晶形成，拓寬液體區域以供鋅離子傳輸。這一方法創新性地將放生抗凍蛋白的抑制結冰功能與低溫凍結電解質結合，在維持高含水量的同時有效提升水系鋅離子電池的循環壽命及充放電容量，為低溫電解質的設計拓寬了思路。
圖1 抗凍蛋白（AFPs）的修飾冰晶形貌與抑制冰再結晶功能及其在細胞凍存中的應用，及氧化氮化碳量子點（OQCNs）對其功能的仿生及在水系鋅離子電池中的應用示意圖。
圖2 OQCNs在三氟甲烷磺酸鋅溶液中修飾冰晶形貌，抑制冰再結晶功能。
圖3 從原子級別深入了解OQCNs對冰生長的抑制作用，及凍結電解質機理探究。
圖4 OQCNs改性后的ZOTf電解質制備的Zn||NH4+-V2O5全電池低溫性能。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202505325
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