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1. 研究背景：

非可再生资源的减少引发了能源危机，促使人们关注可再生资源的高效利用与存储。锂离子电池虽在汽车和大型设备等领域广泛应用，但存在安全隐患，如过充、短路等情况下可能发生热失控甚至爆炸。水系可充电锌离子电池（AZIBs）因安全性高、锌储量丰富、环境友好等优势，成为大规模储能的潜在替代方案。然而，AZIBs的商业化面临诸多挑战，包括锌枝晶的不规则生长、自由水引发的析氢反应以及阴极材料在电解液中的溶解，这些问题会导致电池短路和库仑效率降低。电解液在AZIBs中至关重要，其不稳定的界面会导致锌沉积不均匀，过多的自由水会加剧锌阳极的腐蚀和析氢反应，影响电池的寿命和功率输出。虽然已有一些电解液优化策略，如使用添加剂，但部分添加剂昂贵且有毒，与AZIBs的成本效益和环境友好目标相悖。凝胶聚合物电解质（GPEs）虽能缓解枝晶生长和副反应，但存在离子电导率低、机械性能不足以及电极与GPEs界面问题等挑战。聚环氧乙烷（PEO）因具有高阳离子配位数、柔性链等优点，在锂电池中应用广泛，但纯PEO基聚合物电解质存在室温离子电导率低、电极-电解质界面兼容性差和化学稳定性不足等问题，限制了其在高能量密度电池中的性能。

2. 文章简介：

研究团队来自广东科技学院机电工程学院。该研究以“Tea Polyphenol-Derived Zinc-Rich Complexes for Enhanced Interfacial Dynamics in PEO-Based Gel Electrolytes”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

• 重要意义与创新性：开发了一种新型富含锌的PEO基凝胶电解质PGPS@TP-Zn，通过构建氢键网络和添加功能性填料TP-Zn，有效解决了传统电解液和凝胶电解质存在的问题，为高性能AZIBs的发展提供了新方向。
• 关键方法、材料与技术：通过添加增塑剂甘油和乳化剂聚山梨酯40构建氢键网络，提高机械强度并稳定电极 - 电解质界面；使用天然多酚与锌离子络合制备功能性填料TP-Zn，减少聚合物基质的结晶度，促进离子传输。
• 核心作用机制：TP-Zn中的锌离子增加了体系中阳离子的浓度，使锌离子分布更均匀，提高了离子电导率；同时，TP-Zn降低了聚合物基质的结晶度，有利于离子传输。此外，凝胶中的氢键网络和丰富的亲水基团抑制了副反应，稳定的电极 - 电解质界面促进了锌离子的均匀沉积。

主要实验结果：PGPS@TP-Zn凝胶电解质展现出高达1785%的拉伸变形能力；离子电导率达到 1.32×10^-3 S cm^-1，锌离子迁移数为0.86；Zn||Zn对称电池在1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2 条件下循环寿命超3000 h；Zn - MnO₂ 全电池在2 A g^-1 电流下循环1000次后容量保持率为76.9%；组装的软包电池在弯曲至180°时仍能正常工作。

3. 图文要点：

Figure 1. (a) Schematic diagram of the synthesis procedure of the PGPS@TP-Zn gel electrolyte. (b) SEM image of TP-Zn. (c) FTIR spectra of TP and TP-Zn. (d) SEM image of the PGPS@TP-Zn gel electrolyte. (e) FTIR spectra of PEO, PGPS, and PGPS@TP-Zn gel electrolytes. (f) XRD patterns of PEO, TP-Zn, and PGPS@TP-Zn gel electrolytes. (g) Stress−strain curve of the GF separator, PGPS, and PGPS@TP-Zn gel electrolyte. (h) The photographs of the PGPS@TP-Zn gel electrolyte.

图1：通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和拉伸测试等技术获得。图1a展示了PGPS@TP-Zn凝胶电解质的合成过程；图1b呈现了TP-Zn的纳米片结构；图1c通过FTIR光谱对比了TP和TP-Zn，表明TP与锌离子发生了络合反应；图1d显示PGPS@TP-Zn凝胶电解质为致密膜；图1e的FTIR光谱表明添加甘油和聚山梨酯40未显著改变PEO基质结构，但形成了新的氢键；图1f的XRD图谱证实PGPS@TP-Zn凝胶中PEO的结晶度降低；图1g的应力-应变曲线显示PGPS@TP-Zn凝胶电解质具有优异的机械性能；图1h为PGPS@TP-Zn凝胶电解质的照片。这些结果为凝胶电解质的结构和性能提供了基础数据，支撑了后续对其性能提升机制的研究。

Figure 2. (a) SEM and (b) CLMS images of zinc surface after 50th cycle at 1 mA cm⁻² and 1 mAh cm⁻² in the ZnSO₄ electrolyte. (c) SEM and (d) CLMS images of zinc surface after 50th cycle at 1 mA cm⁻² and 1 mAh cm⁻²  in the PGPS@TP-Zn gel electrolyte. (e) XRD patterns of zinc anode cycled in different electrolytes after 100 h at a current density of 1 mA cm⁻² and 1 mAh cm⁻² . XPS investigation of C 1s on the zinc surface cycled in (f) PG, (g) PGPS, and (h) PGPS@TP-Zn electrolytes after 100 h at a current density of 1 mA cm⁻² and 1 mAh cm⁻² . XPS investigation of O 1s on the zinc surface cycled in (i) PG, (j) PGPS, and (k) PGPS@TP-Zn electrolytes after 100 h at a current density of 1 mA cm⁻² and 1 mAh cm⁻² . (l) I−t curves of Zn||Zn symmetric cells with different electrolytes at −150 mV. (m) CV curve of the Ti||Zn half-cell with PGPS@TP-Zn gel electrolytes at 5 mV/s.

图2：运用SEM、共聚焦激光显微镜（CLMS）、XRD和X射线光电子能谱（XPS）等技术。图2a、b和图2c、d分别展示了在  ZnSO₄ 电解液和PGPS@TP-Zn凝胶电解液中循环50次后锌表面的SEM和CLMS图像，表明PGPS@TP-Zn促进了锌的均匀沉积；图2e的XRD图谱显示PGPS@TP-Zn电解液有效抑制了副产物的形成，并促进了 Zn²⁺ 在（002）平面的取向沉积；图2f - k的XPS分析表明PGPS@TP-Zn电解液增强了与锌阳极界面的相互作用，促进了固体电解质界面（SEI）层的形成；图2l的计时电流法曲线显示PGPS@TP-Zn凝胶电解液能使电池快速激活所有成核位点，抑制枝晶生长；图2m的循环伏安曲线表明PGPS@TP-Zn电解液中 Zn²⁺ 的成核过电位更高，有助于形成光滑无枝晶的锌阳极。这些结论为解释PGPS@TP-Zn凝胶电解质抑制锌枝晶生长和副反应的机制提供了直接证据。

Figure 3. (a) EIS spectra of blocked cells assembled with different electrolytes. (b) Current−time profiles (inset) and impedance spectra taken before and after the voltage polarization of 10 mV for a symmetric Zn||Zn cell for the PGPS@TP-Zn gel electrolyte. (c) Electrochemical windows with different electrolytes. (d) Tafel curves with different electrolytes. (e) Cycling performance of Zn||Zn symmetrical cells based on different electrolytes at 1 mA cm⁻² and 1 mAh cm⁻² . (f) Rate performance of Zn||Zn symmetric cells measured at step up/down current densities of 1.0, 2.0, 3.0, 5.0, 10.0, 5.0, 3.0, 2.0, and 1 mA cm⁻² and 1 mAh cm⁻² . (g) The CE of Zn||Ti cells based on different electrolytes.

图3：采用电化学阻抗谱（EIS）、线性扫描伏安法（LSV）、Tafel测试和恒电流充放电（GCD）等电化学测试技术。图3a的EIS光谱显示TP-Zn的引入显著提高了凝胶电解质的离子电导率；图3b计算得到PGPS@TP-Zn凝胶电解质的锌离子迁移数为0.86，有效增强了锌离子的迁移；图3c的LSV分析表明PGPS@TP-Zn凝胶电解质的电化学稳定窗口更宽，能有效抑制锌阳极的腐蚀和析氢反应；图3d的Tafel曲线显示PGPS@TP-Zn凝胶电解质降低了锌阳极的腐蚀电流，减缓了析氢反应；图3e的循环性能测试表明Zn||Zn对称电池在PGPS@TP-Zn凝胶电解质中的循环稳定性远超  ZnSO₄  电解液；图3f展示了不同电流密度下的倍率性能，表明PGPS@TP-Zn凝胶电解质能促进锌离子通量分布均匀；图3g显示使用PGPS@TP-Zn电解液的半电池循环性能更好，平均库仑效率达96.1%。这些结果全面评估了PGPS@TP-Zn凝胶电解质的电化学性能，有力证明了其在AZIBs中的优势。

Figure 4. (a) CV curves of Zn||MnO₂ cells with different electrolytes. (b) Cycling performance of Zn||MnO₂ cells with different electrolytes at 2 A g⁻¹. (c) Corresponding voltage−capacity profiles at the fifth, 10th, 50th, 100th, 500th, and 1000th cycles at 2 A g⁻¹. Self-discharge profiles of Zn||α-MnO₂ full cells with the (d) ZnSO₄ electrolyte and (e) PGPS@TP-Zn gel electrolyte. Flexible AZIBs successfully power LED at (f) 0°, (g) 90°, (h) 180°, and (i) −180°.

图4：利用循环伏安法（CV）、恒电流充放电测试和自放电测试等。图4a的CV曲线表明PGPS@TP-Zn电解液不影响电池的整体反应，但极化较大，可减缓副反应；图4b显示在2 A g^-1 电流下，使用PGPS@TP-Zn凝胶电解质的Zn - MnO₂ 全电池循环1000次后容量保持率达76.9%，远超 ZnSO₄ 电解液；图4c的电压 - 容量曲线进一步证实了PGPS@TP-Zn凝胶电解质在全电池中的电化学稳定性；图4d、e的自放电测试表明使用PGPS@TP-Zn电解液的全电池自放电电阻出色，能有效抑制阴极溶解；图4f - i展示了软包电池在不同弯曲角度下能成功点亮LED，证明了PGPS@TP-Zn电解质具有出色的机械强度、柔韧性和电化学稳定性。这些结果验证了PGPS@TP-Zn凝胶电解质在实际应用中的可行性和优势。

4. 研究结论

研究团队成功开发了PGPS@TP-Zn凝胶电解质，通过构建氢键网络和添加TP-Zn，有效解决了锌离子电池中锌枝晶生长、副反应以及电解液性能不足等关键问题。该凝胶电解质具有优异的机械性能、高离子电导率和锌离子迁移数，显著提升了电池的循环稳定性和倍率性能。其优势在于大幅提高了Zn||Zn对称电池和Zn - MnO₂全电池的循环寿命，软包电池展现出良好的柔韧性和电化学稳定性，在便携式和可穿戴设备等领域具有广阔的应用潜力。然而，研究可能未充分探讨该凝胶电解质在极端条件下的性能，其大规模生产工艺和成本控制也有待进一步研究。该研究为锌离子电池电解液的设计提供了新思路，有望推动锌离子电池在储能领域的发展，促进其商业化应用进程。

文章链接：原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c17361