第一作者：王元歌

通讯作者：张千玉、李小琴

通讯单位：四川大学材料科学与工程学院、成都大学食品与生物工程学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202527198

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柔性水基锌离子电池(FAZIB)作为可穿戴电子设备的高效储能设备具有巨大的潜力，因为它们具有成本效益和更高的安全性。然而，较差的锌阳极耐腐蚀性仍然是阻碍高性能AZIBs发展的关键挑战。利用四甲基脲(TMU)和聚丙烯酰胺(PAM)的协同作用，提出了一种基于TMU-H₂O二元溶剂的复合水凝胶电解质(PMT)。亲锌官能团改变了锌离子的溶剂化结构，降低了自由水的活度。因此，用该电解液组装的电池具有优异的耐腐蚀性，有效地抑制了副反应和树枝晶的生长。锌对称电池在室温下稳定循环2100 h，同时在50℃下保持超过500 h的循环寿命。这项研究为高性能水凝胶电解液的设计提供了新见解，并展示了FAZIB在实际可穿戴电子产品中的潜力。

背景介绍

作为一种准固态电解质，水凝胶电解质结合了液体电解质和固体电解质的优点。通过化学或物理交联的聚合物网络，自由水分子被限制在聚合物基质中，这降低了水的活度并减轻了副反应。水凝胶电解质不仅可以拓宽AZIB的工作温度范围，又具有机械强度和自愈能力。随着社会的发展，多功能、可穿戴式储能产品越来越受到人们的关注。基于水凝胶电解质的FAZIB集高能量密度、安全性和机械灵活性于一体，在大规模储能和可穿戴电子设备方面具有广阔的应用前景。然而，用于FAZIB的单一基质水凝胶电解质仍然存在离子导电率低、机械性能差、耐温能力有限、严重的副反应和枝晶生长等问题，这损害了锌负极的稳定性和电池性能。随着温度的升高，水的快速蒸发导致水凝胶结构的破坏。此外，在高温下，自由水分子的活性增强，加剧了一系列副反应。加入共溶剂可以调节水凝胶网络中的分子间相互作用，并降低自由水的活度。因此，在高温水凝胶电解质中采用共溶剂策略来调节溶剂化结构和界面化学具有重要意义。

研究出发点

1）采用“一锅法”制备了一种基于TMU-H₂O二元溶剂的复合水凝胶电解质。TMU和PAM的协同作用有效地破坏了水分子之间原有的氢键网络，重建了氢键网络。

2）密度泛函理论计算证实，TMU和PAM结构中独特的亲锌基团提供了丰富的锌离子迁移位置，使得锌阳极上的锌离子通量均匀。分子动力学模拟表明，TMU调节了锌离子的溶剂化结构，抑制了水分子的界面活性。

3）采用PMT水凝胶电解质制备的电池具有耐腐蚀性，有效地抑制了副反应和树枝晶生长。

图文解析

图1. 不同电解液中锌沉积的溶剂化结构及形貌示意图

图2. PMT水凝胶电解质的制备方法、结构表征和机械性能

图3. Zn²⁺溶剂化结构的分子动力学模拟、COMSOL 模拟和典型溶剂化结构的静电势图

图4. 耐腐蚀性能表征

图5. 电化学性能测试

总结与展望

本研究制备了一种具有温度适应性的PMT水凝胶电解质。模拟和实验结果表明，TMU和PAM取代了Zn²⁺周围的H₂O分子，改善了界面动力学，抑制了枝晶形成和副反应。因此，基于PMT-20水凝胶电解质的对称电池在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下具有出色的循环稳定性（超过2000小时）。即使在50 °C下，Zn/Zn电池也能实现超过500小时的循环寿命。此外，所组装的Zn/NVO电池也表现出卓越的循环和倍率性能。即使在极端条件下(例如弯曲、折叠、切割和穿孔)，软包电池也能成功地为“SCU”指示灯供电。

原文信息

Y. Wang, H. Tian, S. Wu, D. Xu, Z. Zhou, Q. Xue, M. Wang, Y. Li, X. Li*, Q. Zhang*, A Co-Solvent Hydrogel Electrolyte for High-Temperature and Anti-Corrosion Zinc-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2025;0:e27198.