比锂电池更安全更有性价比！西安电子科技大学团队让水系锌电池稳充万次

如果你仔细观察过，智能手机的电池设置可能会发现一个叫作“电池健康”的指标，随着充电次数增加，这个数字会从百分之百慢慢下降，直到有一天不得不更换电池，这就是可充电电池，面临的普遍困境——循环寿命有限。在用户看来，这是使用成本的问题，而在研究者眼中，这背后是材料科学需要攻克的核心难题。

近日，西安电子科技大学机电工程学院系统控制与自动化（SCA）团队任获荣副教授及其博士生吕银飞与阿尔伯塔大学相关团队合作在国际材料领域权威期刊Advanced Materials发表最新研究成果，研究团队提出一种数据驱动的多尺度分析方法，并据此设计出钠—镁—锌三阳离子电解质体系，使水系锌基电池实现万次级稳定循环。

为什么是水系锌电池？

一种更安全、更高性价比的选择

为什么行业内对水系锌电池如此关注？这要从大家最熟悉的锂电池说起。

当前，无论是手机、笔记本电脑，还是电动汽车、家庭储能，锂离子电池都是绝对的主角。它能量密度高、技术成熟，但并非没有短板。锂资源分布不均、开采成本不低，更重要的是，锂电池使用了易燃的有机电解液，在受到撞击、过热或者内部短路时，存在起火爆炸的风险。近年来，从电动车自燃到储能电站火灾的新闻，都让人们对电池安全性有了更切身的体会。

有没有一种电池，既具备较好的储能能力，又具有更高安全性和更低成本？水系锌电池正是在这个需求下进入领域研究者视野的。

所谓水系锌电池，顾名思义，其电解液以水为基础，不使用易燃有机电解液，因此在本征安全性方面具有明显优势。同时，锌这种金属资源储量丰富、价格低廉，且锌负极的理论容量很高（约820mAh g⁻¹）。不过需要客观指出的是，由于水的电解限制，水系锌电池的电压窗口约为1.5–2.0V，远低于锂电池的3.5–4.0V，因此其整体能量密度目前仍低于锂电池。在安全性、成本和环境友好性方面，水系锌电池具有突出优势。综合这些特点，水系锌电池被学术界和产业界视为下一代储能技术的有力竞争者，尤其适合需要大规模、低成本、高安全性的场景，比如家庭光伏配套储能柜、电网级储能电站，在对安全性要求较高的特殊场景中，也具有潜在应用价值。

然而，这种前景广阔的电池仍面临一个关键瓶颈——循环寿命不足。在反复充放电过程中，其正极材料，尤其是钒氧化物类正极，容易出现结构破坏和溶解等问题，进而导致容量快速衰减，限制电池的长期稳定运行。这就像一个体质优秀的运动员，偏偏膝盖有旧伤，总是跑不远。如何治好电池的“膝盖旧伤”，就成为摆在研究者面前的关键问题。

告别“盲人摸象”

用数据驱动替代经验试错

过去，改进电池材料很大程度上依赖传统的“试错法”。也就是凭经验和直觉，配出一种电解液配方，做成电池测试，看看效果怎么样；如果不行，再换一种配方，再试。这种方式犹如大海捞针，不仅研发效率低下，而且常常出现这样的尴尬：测试结果显示某种配方“效果好”，但究竟是哪种离子起了作用、背后的机理是什么，往往说不清楚。因为无法理解“为什么好”，就很难有针对性地继续优化，也很难将成功经验复制到其他体系中。这就好比一位厨师偶然做出一道好菜，却不知道是火候、调料还是食材起了决定性作用，下一次想复制成功，依然只能靠运气。

SCA团队的思路，恰恰是打破这种依赖经验和运气的传统模式，让数据“说话”，让决策变得客观、可解释。

团队开发了一套创新的“数据驱动多尺度分析框架”。“这个名字听起来有些复杂，但其核心理念不难理解”，团队成员、博士生吕银飞解释道：“首先，利用高性能计算和密度泛函理论（DFT）模拟，从原子尺度洞察不同离子与电极材料之间的微观相互作用，搞清楚谁‘合得来’、谁‘会打架’；其次，借助信号处理领域的小波变换技术，对电池充放电过程中产生的复杂宏观电化学信号进行‘解码’，提取出那些隐藏在各种噪声背后的关键动力学特征；最后，将微观模拟与宏观分析的结果结合起来，通过统计建模和数据分析实现更客观、可解释的电解质筛选决策。”

这个方法的突破之处在于，它创新性地在微观离子作用与宏观电化学性能之间建立了可解释的分析桥梁。以前是“盲人摸象”，现在研究者们有了一套可以透视电池内部机理的工具。

“三阳离子”秘方

让水系锌电池迈向万次级循环

有了这套“透视眼”级别的分析框架，团队得以精准地筛选并验证了一个全新的电解质配方——钠、镁、锌三阳离子电解质体系（NMZ）。可以把这个配方简单理解为一种特制的“电解液鸡尾酒”。

这个配方能够诱导出一种独特的“电位驱动顺序离子插入路径”，机电工程学院副教授任获荣介绍道：“通俗地讲，就是钠离子、镁离子和锌离子在充放电过程中会按照一定的顺序，有秩序地依次参与电化学反应。”这种秩序性带来了决定性的好处：它从源头上抑制了两个关键的破坏过程。第一个是在约1.3V以上电压下发生的质子嵌入，这个过程会引发正极材料的结构破坏；第二个是在约1.0V附近发生的水合锌离子嵌入，这个过程是诱发正极材料中钒溶解流失的重要因素之一。可以说，这个新配方正是对症下药，精准地规避了导致水系锌电池“短命”的两大核心病灶。

实验结果令人振奋。采用了这种新型电解质体系组装的锌/钒氧化物电池，展现出了卓越的电化学可逆性和超长的循环寿命。在0.2 A g⁻¹ 的电流密度下，电池可以稳定循环500次，相当于连续工作约1400小时后仍保持良好性能。更令人惊叹的是，在5 A g⁻¹ 的高电流密度下，该电池仍可实现10000次稳定循环，表现出优异的长寿命特征。这意味着，在需要频繁充放电的大电流场景中，这种电池的循环寿命已经达到了非常优秀的水平，为水系锌电池走向实际应用提供了重要支撑。不仅如此，这种钠—镁—锌三阳离子电解质体系在成本、安全性、环境友好性和综合电化学性能之间取得了优异的平衡。

不止于一块好电池

一种可复用的“材料设计加速器”

可能有人会问，这项成果的价值是不是仅仅在于做出了一个特别“能扛”的电池样品？答案是否定的。

西安电子科技大学团队更大的贡献在于建立了“数据驱动多尺度分析框架”。这个框架就像一台通用的“材料设计加速器”，其意义不局限于一种特定的电解质配方或电池体系。换一类储能体系，比如镁离子电池、钠离子电池或其他多价离子电池；换一类电极材料，比如不同的氧化物、硫化物；换一个优化目标，比如提升倍率性能、拓宽工作温度范围——这套框架照样可以派上用场。它能够帮助研究者从海量的可能性中快速锁定最有希望的少数几个候选方案，然后进行精准的实验验证，从而大大加速新材料从发现到优化的整个进程。

这种方法论上的创新，比单一的成果更具长远价值。它意味着未来科学家不必再像过去那样大海捞针般地盲目实验，而是可以像使用导航系统一样，更高效、更准确地抵达目标。

跨学科合作的成功范例

从更宏观的视角来看，这项成果也是跨学科、国际化合作的一个成功范例。研究工作由西安电子科技大学与阿尔伯塔大学等国际一流科研单位合作完成，获得了加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）联盟基金、阿尔伯塔创新基金、NSERC探索基金等项目的资助。在学校“国家外国专家项目”引进专家Witold Pedrycz教授与CSC合作导师Xuesong Xie教授的联合指导下，机电工程学院博士研究生吕银飞在访学期间主导完成了核心创新——数据驱动的多尺度分析框架。这种融合了数据科学、电化学、材料计算等多个领域的研究模式，正是当前破解能源材料领域关键科学问题的有效路径。

此次突破不仅展示了西安电子科技大学在前沿基础研究与工程应用结合方面的扎实实力，也体现了通过高水平国际合作与学科交叉解决重大能源问题的能力，为开发下一代高性能、低成本的水系锌基电池提供了创新的理论指导和技术方案。

面向未来。随着我国“碳达峰、碳中和”战略目标的深入推进，大规模、高安全、低成本的储能技术将成为能源结构转型的关键支撑，从这个意义上说，这项成果不仅是一项重要的学术进展，更是为我国实现“双碳”目标储备了一项关键的技术方案和一批掌握前沿研究方法的研究人才，也许在不久的将来，这类更安全、低成本、长寿命的电池技术将在家庭储能、电网储能等场景中发挥重要作用。（通讯员： 王格）