想要解决这些痛点，用固态电解质替代传统水系电解质是非常有潜力的解决方案。固态材料不仅能从根本上消除水系体系的副反应，还能承受更高电压、机械强度更好，更重要的是能阻止锌金属表面长出“毛刺”一样的锌枝晶——这些枝晶会刺穿电解质，引发电池短路甚至安全隐患。然而，锌离子本身电荷密度高、电负性低，在固态材料里很难“跑起来”，导致目前锌离子固态电解质材料研发进展有限，锌离子传导效率普遍偏低，满足不了实际使用的需求。因此，开发高效传导的固态锌离子电解质成为关键，为实现高能量密度、长寿命、高安全性的锌离子电池奠定基础。

1月19日，中国科学院院士、深圳理工大学广东省院士工作站教授、中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）碳中和技术研究所所长成会明，深圳理工大学材料科学与能源工程学院长聘副教授韩翠平，联合福建师范大学教授杜克钊，在Nature Communications杂志上发表关于全固态锌金属电池电解质的突破性研究成果。该研究提出了“无机阳离子有机化”的成分工程策略，成功设计并开发出一类新型锌基金属卤化物固态电解质，有效解决了锌离子在固态材料中迁移困难的核心难题，让锌离子在固态基质中实现了高效传导。

文章上线截图

研究团队发现，虽然金属卤化物固态电解质在锂离子电池中已经应用得很成功，但这套设计思路没法直接搬到锌电池上。为了探究根源，研究团队从锂卤化物材料与锌卤化物材料的子结构层面入手，通过理论计算对比发现：锂-卤素键以离子键为主，利于锂离子迁移；而锌-卤素键具有更强的共价性，将锌离子牢牢锁住。基于这一关键认识，团队创新性地提出了“成分工程”策略：用体积较大、空间结构松散的有机阳离子，替换传统三元锌卤化物中的无机阳离子，从而削弱锌离子迁移的强共价键，并提供锌离子传输通道，让它能顺畅通过。

杂化锌基金属卤化物固态锌离子电解质的理性设计

基于上述策略，研究人员通过理论计算筛选并设计出两种目标材料——C4N2H12ZnBr4(简称PipZnBr4)和C4N2H12ZnCl4(简称PipZnCl4)。理论分析显示，这两种材料都具备成为优质固态电解质的潜力：具有良好的热力学稳定性，表明材料易合成且稳定；具有宽的带隙，表明材料具有低的电子电导率，不会出现电子“乱跑”导致电池自放电的问题；具有丰富的卤素空位缺陷，表明材料易因为缺陷破坏原有的锌-卤四面体结构，可能为锌离子传导提供更多空间；具有较低的迁移能垒，表明材料具备良好的锌离子传导能力。

杂化锌基金属卤化物固态锌离子电解质的理论性质

理论可行之后，团队通过实验对PipZnBr4进行了全面验证。

显微镜观察发现，这种电解质是10–80μm的不规则多边形颗粒；通过XRD、拉曼及FTIR等测试确认，目标材料成功合成且结构稳定，就算其中含有过量的ZnBr2也不会破坏晶格结构。

热重分析表明，它在300°C下质量保持率达96.5%，说明热稳定性优异，能适应不同使用环境。将它压制成厚度430μm的电解质片后，25°C离子电导率达2.9×10-4S cm-1，活化能仅0.13eV，这意味着锌离子能快速通过电解质，传导效率满足实用需求；同时它还拥有3.74V的宽电化学窗口（相对于Zn2+/Zn），相当于电池能承受更高的电压而不损坏，适配性更强；Zn2+迁移数为0.61，说明主要是锌离子在传导，减少了其他离子的干扰。

此外，腐蚀测试显示三维扩散主导的Zn2+沉积行为，塔菲尔曲线表明腐蚀电流密度低至0.037μA cm-2，显著优于水系电解液，能有效保护电池内部结构，展现出高离子导通性、宽电化学窗口与优异界面稳定性。

PipZnBr4固态锌离子电解质的结构表征与电化学性能

除此之外，这种电解质还能解决锌枝晶的关键难题。通过多尺度表征证实，PipZnBr4电解质可诱导锌均匀致密沉积。SEM、AFM与CLSM显示，循环后锌呈球形多晶形貌，表面粗糙度低（20次循环后仅0.9μm），且随循环趋于平整；EBSD表明，晶粒取向随机，从根本上有效抑制枝晶生长。CT无损成像显示，锌和电解质界面紧密接触，无孔洞或穿透，不会出现接触不良的问题。XPS分析表明，电池循环过程中，界面原位形成有机外层/无机内层的稳定固态电解质界面（SEI），能促进锌离子均匀传输。XRD与XPS进一步验证电解质在循环中结构稳定，元素环境变化微弱，整体展现出优异的界面兼容性与沉积可逆性。

基于PipZnBr4固态锌离子电解质的锌沉积行为

为了验证实际应用效果，团队组装了多种电池进行测试。

以PipZnBr4为固态电解质的Zn||Zn对称电池测试显示，在0.1 mA cm⁻²的电流密度下，能稳定循环超过1100小时，就算电流密度提高到0.5mAcm-2和1.0mAcm-2，依然能稳定运行，证明了该电解质具备可靠的离子迁移能力和界面稳定性。

Zn||Ti不对称电池在2 mA cm-2和0.5 mAh cm-2条件下循环350次后，平均库伦效率高达98.9%，而且电压滞后比水系电解质电池更小，表明锌离子的沉积和剥离过程可逆性强，界面副反应受到有效抑制。

为评估其实际应用可行性，研究团队组装了以I2为正极的全固态Zn||I2电池。该电池在0.2 mA cm-2电流密度下循环200次后，仍能保持234.5 mAh g-1的高比容量，每圈容量衰减率仅为0.056%。其恒电流充放电曲线高度重叠，这意味着电池能长期使用，性能几乎不会明显下降，展现了优异的循环可逆性。

基于PipZnBr4固态锌离子电解质的电化学性能

本研究不仅为全固态锌金属电池提供了一类新型高性能卤化物固态电解质材料，而且通过深入的机理分析，为未来锌基固态电解质的设计提供了重要的理论指导和新的研究方向。

成会明、韩翠平、杜克钊为论文的共同通讯作者，深圳先进院胡三略博士和常彩云博士、福建师范大学林洋彭博士为论文共同第一作者。

点击文末“阅读原文”查看论文

为SUAT点个赞和在看吧