近日，北京理工大學(xué)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(guān)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(fā)表。北京理工大學(xué)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(dǎo)率、成本低、對環(huán)境友好等優(yōu)勢，被視為傳統(tǒng)儲能設(shè)備的替代品。然而，在低溫環(huán)境下由于電解質(zhì)的凍結(jié)，會大幅降低水系鋅電池的離子電導(dǎo)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(zhì)、水凝膠電解質(zhì)、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(fā)，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(jié)晶的功能，制備了氧化氮化碳量子點(OQCNs)對凍結(jié)電解質(zhì)進行修飾改性。實驗結(jié)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(jīng)OQCNs改性后的鋅鋅對稱電池在可以穩(wěn)定運行超1000 h，Zn||NH4+-V2O5全電池可以穩(wěn)定運行超5000圈(約90天)。計算模擬的相關(guān)結(jié)果也顯示，OQCNs特征結(jié)構(gòu)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(jù)Gibbs-Thomson效應(yīng)降低局部冰點，低溫下可以顯著抑制冰晶形成，拓寬液體區(qū)域以供鋅離子傳輸。這一方法創(chuàng)新性地將放生抗凍蛋白的抑制結(jié)冰功能與低溫凍結(jié)電解質(zhì)結(jié)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(huán)壽命及充放電容量，為低溫電解質(zhì)的設(shè)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(jié)晶功能及其在細胞凍存中的應(yīng)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(yīng)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(jié)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(jié)電解質(zhì)機理探究。
圖4 OQCNs改性后的ZOTf電解質(zhì)制備的Zn||NH4+-V2O5全電池低溫性能。
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