天然丝素蛋白助力水系锌电池实现超宽温稳定运行

随着全球对可再生能源需求的增长，开发安全环保的储能技术成为当务之急。水系锌离子电池因使用水基电解液和储量丰富的锌金属，被视为极具潜力的绿色储能方案。然而，这类电池在极端温度下表现不佳：低温时电解液结冰导致电池“罢工”，高温时电极/电解液界面副反应又引发失效，严重限制了实际应用。传统改进方案如高浓度盐电解液、有机-水混合电解液或凝胶电解质虽能缓解部分问题，却往往顾此失彼——或牺牲动力学，或降低充放电效率。例如，某些方案虽耐低温，但高温下会腐蚀电极；而另一些方案虽提升稳定性，却因离子电导率过低拖慢反应速度。更棘手的是，这些改进通常只能针对单一温度场景，难以满足日常使用中冬夏温差带来的严苛要求。

近日，湖南大学朱智强教授团队独辟蹊径，从自然界的生物材料中找到了突破口。他们发现，蚕丝中的丝素蛋白具有独特的双亲特性（亲水/亲锌），既能与水分子互动，又能与锌离子结合。将微量丝素蛋白（每升电解液仅添加6克）融入高浓度氯化锌电解液后，实现了水系锌电池在−60 °C至60 °C宽温域范围内稳定性与反应动力学的协同提升。丝素蛋白通过重构水分子氢键网络并参与Zn²⁺配位，有效降低电解液粘度，并抑制副反应；此外，丝素蛋白通过相转变同时在正、负极表面形成双亲性保护层，增强电极润湿性，促进锌均匀沉积，并抑制正极溶解。

实验显示，采用该电解液的Zn||Zn对称电池在−60 °C下展现出优异动力学（1 mA cm⁻²下极化电压仅180 mV），并在60 °C高温条件下保持长效循环稳定性（2 mA cm⁻²下稳定运行200小时）。此外，该电解液对无机正极（V₂O₅·nH₂O）与有机正极（PANI）均表现出优异的适配性。更令人瞩目的是，团队成功制备出能量密度达72 Wh L⁻¹和锌负极利用率47%的安时级软包电池，在室温下0.5 A g⁻¹循环50次后容量保持率达91%，并可在−60 °C至60 °C范围内稳定工作。