提到废旧电池，大家脑海里往往会浮现出“剧毒”、“污染水源”、“强酸腐蚀”等可怕的标签。但是，假如有一款电池，它里面的电解液竟然是我们在菜市场买豆腐时，用来“点豆腐”的卤水呢？这可不是科幻小说！ 《Nature Communications》上一项关于新型水系电池的硬核研究，就把这种“绿色魔法”变成了现实。

近日，松山湖材料实验室水系锌基电池团队、香港大学支春义教授与香港城市大学吕海明教授，联合延安大学李然副教授等科研人员取得重要进展，在国际权威学术期刊《Nature Communications》上发表了题为《An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard》的突破性研究成果。研究团队创新性地开发出了一种 pH=7 的中性水系 Mg²⁺/Ca²⁺ 金属离子电池。令人惊叹的是，这款电池的电解质极其安全，竟然采用了日常生活中可以用来“点豆腐”的“卤水”。这意味着，该电池在用完报废后，即便直接丢弃也完全不会对自然环境造成任何污染！据悉，该项工作的第一作者为松山湖材料实验室与延安大学联合培养的硕士研究生陈辉。此外，上述研究工作得到了松山湖材料实验室创新样板工厂团队项目、国家自然科学基金等项目的大力支持。

水系电池历经两百余年的发展历史，凭借其本征的安全性和低成本优势广受业界青睐。然而，传统水系体系（如铅酸电池）高度依赖强酸或强碱性电解液，这不仅加剧了电极的界面腐蚀、将循环寿命局限在区区数百次，更引发了严重的析氢、析氧等寄生副反应，导致其废弃后成为沉重的生态环境负担。为了解决这一痛点，科研人员将目光投向了天然具有“高能量搬运”潜力的二价金属离子（Mg²⁺和Ca²⁺），并创造性地采用pH=7.0的完全中性电解液。令人称奇的是，这种极致环保的电解液，其成分与我们日常菜市场里用来“点豆腐”的卤水如出一辙，从根本上剥离了强酸碱带来的危险与污染。

既然“中性卤水”如此安全，为何以往迟迟未能普及？核心难点在于，水系电解液环境中一直缺乏能与之完美匹配的低电位且超级稳定的负极材料。为此，科研团队另辟蹊径，专门量身定制了一款专属的“离子捕捉网”——带有给电子连接键的共价有机聚合物（Hex-TADD-COP）。这种新型分子网材料不仅在中性电解液中展现出了极快的反应动力学，更重要的是，它大幅削弱了质子参与电荷储存的过程，从源头上“掐断”了副反应对电池稳定性的破坏，让二价金属离子得以在其中高效、平稳地穿梭。

换上“卤水电解液”与定制“分子网”后，这款新型水系电池交出了一份堪称逆天的性能答卷。它在中性环境中能够稳定循环高达12万次，即便是按照将正负极和电解液总质量全部算入的极严苛标准，组装的全电池仍能实现2.2V的电压区间和48.3 Wh kg^-1的高比能量，并在极大电流下保持长周期稳定。更为惊艳的是，经过严格评估，该电池符合中国及国际等多项顶级环保标准（如GB 18599-2020、ISO 14001等），做到了真正的绝对无毒无害。从提心吊胆的强酸碱到温和的“卤水”，这项硬核突破让我们看到了绿色储能的新曙光——或许在不久的将来，当你的电子设备电池报废时，你真的可以把它当成肥料，安心地埋进自家后院的花盆里。

图1 各种可充电电池系统中电解质pH值的比较。包括铅（Pb）-酸电池（pH = 1）、水系铝离子电池（pH = 2.29）、水系铁离子电池（pH = 3.5和3.7）、水系锌离子电池（pH = 3.4和4.5）、本工作（pH = 7.0）、水系Zn/LiCoO₂混合电池（pH = 10.98）、锌-铁氰化物液流电池（EDTA：乙二胺四乙酸四钠）（pH = 12）以及镍金属氢化物（NiMH）电池（pH = 14）。

图2 负极材料的筛选和电化学分析。a Hex-TAPZ-COP（吸电子）、b Hex-DABZ-COP（电中性）和c Hex-TADD-COP（给电子）的理想化结构及其对应的静电势分布（灰色、蓝色、红色和白色球体分别表示C、N、O和H）。d Hex-TAPZ-COP、e Hex-DABZ-COP和f Hex-TADD-COP在饱和MgCl₂电解质（25°C±2°C下为5.8 M）中的CV曲线，显示了原始和拟合的CV曲线以及半高宽（FWHM）。g Hex-TAPZ-COP、h Hex-DABZ-COP和i Hex-TADD-COP重复单元的结构示意图，展示了计算所得的电荷密度和离子溶剂化程度（橙色、红色和白色球体分别表示Mg、O和H）。

图3 Hex-TADD-COP负极中质子参与的研究。a三电极原位pH测量装置示意图，其中Hex-TADD-COP在充放电过程中作为工作电极。b Hex-TADD-COP在饱和MgCl₂电解质（pH = 7.0）中的循环伏安（CV）曲线以及前两次循环中电极表面的相应pH变化。c pH 7.0下的pH波动范围与先前研究报道值的比较。d 不同pH值的MgCl₂电解质中质子对容量的贡献。e Hex-TADD-COP在饱和MgCl₂电解质（pH 5.5和7.0）中，于10A g⁻¹比电流下的容量保持率，以及循环后烧杯电池的光学图像。f Hex-TADD-COP在不同pH值的饱和MgCl₂电解质中的循环稳定性。g 质子参与对Hex-TADD-COP结构完整性的有害影响示意图。

图4 Hex-TADD-COP负极在25°C±2°C下使用中性饱和MgCl₂和CaCl₂电解质（pH = 7.0）的三电极系统中的电化学性能。a Hex-TADD-COP在扫描速率范围为0.5至10mV s⁻¹时的循环伏安（CV）曲线。b 不同比电流下的比容量及相应的库仑效率。c 在不同比电流下记录的GCD曲线。d 在20A g⁻¹比电流下的循环稳定性。e 不同水系二价金属离子电池负极材料的循环寿命和比容量比较，报告的文献数据见补充表2。f Hex-TADD-COP与其他水系二价金属离子电池中有机负极材料电位的比较，包括聚酰亚胺、聚均苯四甲酸二酐@多壁碳纳米管（PPMDA@MCNTs）、3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）、PPTO和3D-聚（3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺-1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺）3D-P(PDI-T)。

图5 Hex-TADD-COP负极在中性饱和MgCl₂电解质中的电荷存储机制。a Hex-TADD-COP负极在5A g⁻¹比电流下的恒流充放电（GCD）曲线，在标记点进行了各种非原位测量。b Mg 1s区域的非原位X射线光电子能谱（XPS）谱图。c N 1s区域的非原位XPS谱图。d 充放电过程中记录的原位拉曼光谱。e Mg²⁺与Hex-TADD-COP最稳定重复单元在不同电荷存储阶段的结合能。f 充放电机制示意图。

图6 以Hex-TADD-COP为负极、CuFe-PBA为正极的高度生态友好型水系二价金属离子全电池的性能（25°C±2°C）。a全电池反应机理示意图。b Hex-TADD-COP负极和CuFe-PBA正极的循环伏安（CV）曲线比较。c 不同比电流下的恒流充放电（GCD）曲线。d 在20A g⁻¹下的循环性能。e 与文献报道数据的循环性能比较（参考补充表S3）。f 与基于镁金属的全电池相比，考虑整个电池（负极、正极和电解质）的比能量。g 多次循环后全电池中电解质的pH值和元素组成（wt. %）。

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https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2