2. 3.5 M Mg(ClO₄)₂ + 1 M Zn(ClO₄)₂电解液与金属锌具有良好的相容性，使用该电解液制备的Zn//芘-4,5,9,10-四酮(PTO)电池和Zn//吩嗪(PNZ)电池具有良好的低温性能。

图1. (a) 优化的Zn2⁺的溶剂化结构；(b) 优化的Mg2⁺的溶剂化结构；(c) 不同电解质溶解的热红外成像；(d) 不同浓度Mg(ClO₄)₂盐电解液的红外光谱；(e) 拟合的红外光谱；(f) 不同种类氢键的比例；(g) 不同浓度Mg(ClO₄)₂盐电解液的核磁H谱。

通过DSC测试，3.5 M Mg(ClO₄)₂ + 1 M Zn(ClO₄)₂电解液具有超低的凝固点，为-121℃。原位的偏光及非偏光显微镜观测到1 M Zn(ClO₄)₂电解液(图中表示为0 M)在-20℃凝固，而3.5 M Mg(ClO₄)₂ + 1 M Zn(ClO₄)₂电解液在-70℃仍未凝固，在-130℃发生玻璃化转变。该电解液在-70℃表现出较高离子电导率(1.41 mS/cm)，较低的粘度(22.9 mPa·s)以及电导活化能(0.23 eV)。

图2. (a) 双阳离子共晶电解液的相图；(b) 3.5 M电解液的DSC曲线；(c) 不同电解液的原位偏光和非偏光显微镜观察；(d) 3.5 M电解液在不同温度下的离子电导率；(e) 3.5 M电解液在不同温度下的粘度；(f) 电导活化能。

有机小分子的反应机理基于转化反应，具有反应动力学快，受温度影响较小的特点。因此，基于该抗冻电解液，本工作选择了有机小分子PTO及PNZ作为正极。以PTO为例研究了其反应机理。由于该电解液中含有大量的Mg2⁺和Zn2⁺，首先通过DFT计算厘清PTO与何种离子结合。分子静电势图表明PTO的电活性中心为羰基。当PTO失去四个电子后，其电子云仍局域在苯环上，表明PTO可以发生四电子转移。非原位红外光谱也证实了PTO的反应活性位点为羰基。进一步计算PTO与Mg2⁺和Zn2⁺的结合能，结果显示PTO与Mg2⁺的结合能更低。但是不能忽略的是，Mg2⁺和Zn2⁺结合PTO伴随着脱溶剂化过程。上文计算的Mg2⁺的结合能更低，因此脱溶剂化更困难。考虑到脱溶剂化能，PTO更易于Zn2⁺的结合而不是Mg2⁺。非原位XRD谱图表明PTO在反应过程中具有良好的可逆性，且没有副产物生成。

IV Zn//PTO电池的低温性能

图4. (a) Zn//PTO电池的示意图；(b) Zn//PTO电池在不同温度下的充放电曲线；(c) Zn//PTO电池在-70℃不同电流密度下的充放电曲线；(d) Zn//PTO电池在-70℃的倍率性能；(e) Zn//PTO电池在-70℃的循环稳定性能。

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419，在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9，材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。