不用液态溴的新型水系锌-溴电池：更安全、更耐用

本文报道了一种提升水系锌-溴（Zn─Br）电池安全性与耐用性的创新方法。传统Zn─Br电池虽成本低、能量密度高，但充电时易生成剧毒、易挥发的液态溴（Br₂），还会产生可溶性多溴化物（如Br₃⁻），导致严重自放电、容量衰减和电解液腐蚀等问题，阻碍其实际应用。研究团队另辟蹊径，不依赖复杂电解液改性，而是采用“电极工程”策略——将富氮层状材料（如不饱和氮掺杂的石墨相氮化碳，g-C₃N₄）与溴化钾（KBr）正极活性物质复合。结果发现，溴离子（Br⁻）可在g-C₃N₄层间发生“嵌入-转化”反应（intercalation-conversion），形成稳定的Br⁻⁰·¹⁴@C₃N₄结构，而非传统路径中生成游离的Br₂。这一机制转变经原位拉曼、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）及理论计算（DFT）等多重手段证实：充电过程中Br⁻嵌入使g-C₃N₄层间距从3.19 Å扩大至3.24 Å；氮原子（特别是不饱和吡啶氮N1）提供活性位点，接受电子并与溴结合，使溴保持约-0.14价态，彻底规避了零价Br₂的形成。配套开发的双功能电解液（含BMIMBF₄添加剂）进一步抑制多溴化物穿梭、提升锌负极可逆性。实验证明：纽扣电池在1C倍率下首周库仑效率达96.7%，静置12小时后自放电率仅9.5%（传统电池高达96.5%）；在5C倍率下循环2000次容量保持93.6%，10C超高速率下寿命超5000次。更重要的是，该策略成功放大至软包电池：单层软包电池在0.2C下循环100次容量保持93.8%；而多层、安时级（~0.95 Ah）软包电池，在锌负极深度放电达48.7%、正极载量高达40 mg(KBr)/cm²（远超商用锂电水平）的严苛条件下，仍实现750次稳定循环，能量密度达106.2 Wh/kg（基于全电极）。此外，该电极工程具有普适性——换用氮化硼（BN）、石墨等其他层状材料同样有效，证实其核心是通过调控正极反应路径来根除Br₂，而非依赖特定材料。综上，该工作不仅解决了Zn─Br电池长期存在的本质安全瓶颈，还为水系电池化学体系提供了“嵌入-转化”这一新范式，显著提升了其面向大规模储能应用的可行性。