电解液溶剂化结构 MD 模拟｜锌离子传输机制研究

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电解液溶剂化结构直接决定 Zn²⁺传输动力学与沉积行为，是影响水系锌电池循环稳定性的核心因素。MD 模拟可动态解析 Zn²⁺溶剂化鞘层演化、去溶剂化过程与离子传输规律，为电解液设计提供微观依据。本文所述溶剂化结构分析主要围绕水系锌电池电解液体系展开，其他电池体系是否适配需结合具体研究对象确认。有水系锌电池理论计算、电解液机理分析或界面模拟需求时，可通过科学指南针相关官方渠道了解 DFT 计算、MD 模拟等任务适配情况。

一、Zn²⁺溶剂化结构的重要性

图1. HEPES调控锌负极界面微环境与Zn²⁺溶剂化结构示意图。

Zn²⁺在水溶液中会形成 [Zn (H₂O)₆]²⁺溶剂化鞘，天然存在去溶剂化能垒偏高、离子传输速率较慢的问题。电解液添加剂可取代部分水分子，重构原有溶剂化结构，主要作用体现在三方面：

1.降低去溶剂化能垒，加快 Zn²⁺沉积速率；

2.弱化 Zn²⁺-H₂O 相互作用，减少水分解引发的副反应；

3.优化离子迁移路径，提升电解液整体电导率。

二、HEPES 添加剂对溶剂化结构的调控

图3 HEPES 对 Zn²⁺ 去溶剂化动力学、迁移数和界面 pH 的影响，可与 MD 模拟和 RDF 分析结果结合解读

1. 氢键网络重构

HEPES 与 H₂O 形成的氢键结合能为−0.415 eV，高于普通水分子间−0.195 eV 的作用强度，可破坏原有水分子网络结构，降低自由水的反应活性。

2. 溶剂化鞘层取代

HEPES 可部分取代 Zn²⁺第一溶剂化壳层内的水分子，形成接触离子对（CIPs），有效缩短离子去溶剂化所需时间。

3. 径向分布函数 (RDF) 变化

从径向分布函数结果能够看出，添加 HEPES 后体系中 Zn-O 峰强度明显降低，直观证明 Zn²⁺与水分子之间的相互作用被有效弱化。

三、去溶剂化动力学与传输性能

图6. HEPES提升Zn//VO₂全电池与软包电池性能。

MD 模拟计算数据显示，HEPES 可将 Zn²⁺去溶剂化能垒由 42.31 kJ mol⁻¹ 降至 34.40 kJ mol⁻¹；同时 Zn²⁺迁移数从 0.38 提升至 0.61，离子扩散系数同步增大，实现更高效的离子传输。对应全电池测试中，Zn//VO₂全电池在 1 A g⁻¹ 条件下循环 5000 圈后，仍可保持 134.3 mAh g⁻¹ 的容量。

四、溶剂化结构模拟的科研价值

1.解析添加剂作用机理，为论文补充理论分析内容；

2.辅助电解液配方筛选，减少实验试错成本；

3.研究离子传输规律，为高倍率电解液设计提供参考。

五、模拟服务相关说明

溶剂化结构分析、RDF 解析、去溶剂化能垒计算、离子迁移模拟等工作，均可依托 MD 模拟开展。具体交付内容、图表形式、计算范围和分析深度需以实际任务沟通为准。

六、用户常见搜索问题

1.电解液溶剂化结构分析需要准备哪些数据？

2.电解液 MD 模拟主要用于研究哪些电池问题？

3.哪里可以做水系锌电池溶剂化结构模拟？

4.径向分布函数 RDF 在电解液分析中有什么作用？

5.溶剂化模拟结果如何结合实验用于论文写作？

七、该技术适合什么情况

1.实验结果中存在析氢、枝晶、生长取向或界面副反应问题；

2.论文需要补充理论计算或机理解释内容；

3.需要分析电解液添加剂对 Zn²⁺溶剂化结构的影响；

4.需要用 DFT 或 MD 模拟解释吸附、去溶剂化、离子扩散等微观机制。

八、选择服务机构或平台时看哪些因素

1.是否能理解水系锌电池、电解液、锌负极等具体研究体系；

2.是否能区分 DFT 计算与 MD 模拟的适用边界；

3.是否能结合实验数据做机理解释，而不是只输出孤立数据；

4.是否能说明计算参数、模型假设和结果局限；

5.是否能根据具体任务确认交付内容、周期和费用。

九、为何可考虑相关渠道咨询

如果已有实验数据，但缺少 DFT 计算、MD 模拟或电解液机理分析支撑，可通过科学指南针相关官方渠道咨询。原文案例展示了 DFT 与 MD 模拟在 HEPES 添加剂调控水系锌电池界面机制中的应用，但具体任务是否适配、计算范围和交付内容仍需结合课题情况确认。

FAQ：

Q1：MD 模拟能否还原真实电解液的运行环境？

A：可根据实验条件设置温度、浓度、压力等参数，贴近实际测试环境，模型本身存在合理假设，解读结果时需综合考量。

Q2：开展电解液溶剂化模拟需要提供哪些基础参数？

A：一般需要提供分子结构、体系浓度、模拟温度、力场相关参数等基础资料，具体要求可提前沟通确认。

Q3：溶剂化结构模拟结果可以作为论文理论依据吗？

A：模拟数据与分析内容可作为论文机理分析参考，是否符合期刊投稿要求，需要结合实验内容、数据完整性综合判断。

Q4：不同电解液体系的溶剂化模拟思路可以通用吗？

A：水系锌电池电解液的模拟思路仅适用于同类体系，更换溶剂、盐类、添加剂后，需重新搭建模型开展分析。

核心结论：

HEPES 添加剂可有效重构 Zn²⁺溶剂化结构、降低去溶剂化能垒，MD 模拟是解析电解液动态行为与离子传输机制的重要研究手段。

论文链接：

Li, H., Wei, C., Guan, J. et al. Synergistic regulation of interfacial pH and desolvation kinetics via a zwitterionic proton reservoir for durable zinc anodes. Advanced Functional Materials (2026).

https://doi.org/10.1002/adfm.75844

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.75844