“手机续航一天一充”“新能源车冬季里程打五折”——能量存储技术的短板，正成为智能生活的“卡脖子”问题。我国济南大学、上海交通大学联合团队最新研究显示，通过甲酰胺（FA）分子“插层”改性钒基磷酸盐（VOPO₄），开发出的新型阴极材料，让水系锌离子电池（AZIBs）在高负载下体积容量达到733 mAh/cm³，是传统材料的8倍，且循环1000次后容量保持率仍达82.1%。这项发表在《Frontiers of Energy》的研究，为低成本、高安全储能技术开辟新路径，相关成果已在电网储能、便携式电子设备领域开展应用测试。

安全又便宜的“水系电池”，为何总“掉链子”？

作为锂电池的“安全替代品”，水系锌离子电池以水为电解液，从根源上避免燃爆风险，且锌资源成本仅为锂的1/20，理论体积容量高达5851 mAh/cm³。然而，传统钒基阴极材料（如VOPO₄·2H₂O）却像“狭窄的单车道”——层间距仅7.4 Å（1 Å为十亿分之一米），锌离子（Zn²⁺）在其中移动阻力大、扩散慢。尤其当电极厚度增加（高负载）时，离子“挤不过去”，导致容量骤降、结构崩塌。数据显示，传统材料在10 mg/cm²负载下循环数百次，容量就会衰减过半。

“分子润滑剂”拓宽离子通道，稳定性堪比“钢筋结构”

研究团队另辟蹊径：用甲酰胺（FA）分子替换VOPO₄层间的部分水分子。这种“分子替换术”带来三重惊喜：

• 拓宽“高速路”：FA分子插入后，层间距从7.4 Å扩至9.3 Å（相当于单车道变双向四车道），Zn²⁺扩散阻力降低，扩散系数提升10倍；
• 筑牢“防护网”：FA与残留水分子形成协同氢键，如同给晶体结构“打上钢筋”，避免循环中的层间坍塌；
• 减少“粘滞感”：FA分子减弱对Zn²⁺的束缚，让离子移动更“顺滑”，解决了传统材料中水分子导致的“离子卡顿”问题。

实验室数据“亮眼”：20 mg厚电极仍保持高容量

实验中，FA-VOPO₄阴极材料展现出“硬核”性能：

• 容量“跃升”：在40 mA/g电流下，体积容量达733 mAh/cm³，是VOPO₄·2H₂O（83 mAh/cm³）的8.8倍；
• 高负载“扛打”：当电极厚度增至20 mg/cm²（接近商用电池标准），仍保持535 mAh/cm³容量，满足3-5 mAh/cm²的行业要求；
• 寿命“持久”：10 mg/cm²负载下，1 A/g电流循环1000次后容量保持82.1%，充放电效率（库伦效率）高达99.95%，而传统材料循环784次后仅剩31.9%容量。

从智能手表到电网储能：安全电池离我们还有多远？

这项技术突破让水系锌离子电池距离商用更近一步。其高体积容量意味着未来智能手表电池可能薄如硬币却续航翻倍，电网储能系统可在安全前提下提升能量密度。研究团队表示，目前正优化材料制备工艺，目标将成本降低至现有锂电池的60%，预计3-5年内实现产业化应用。

来源: FIE能源前沿期刊