近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所胡林華研究員團隊在水系鋅離子電池凝膠電解質(zhì)研究方面取得新進展。科研人員利用尿素作為親鋅增溶劑，開發(fā)出具有高機械耐久性的醋酸鋅凝膠電解質(zhì)，組裝成的軟包電池具有高比容量和高韌性。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊?《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。
水系鋅離子電池因電解液泄漏和腐蝕問題導(dǎo)致實際應(yīng)用受限，而準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)因其流變穩(wěn)定性和高柔韌性被視為解決方案。然而，當(dāng)前對準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的研究普遍忽視成本與毒性控制，且抗疲勞性能亟待提升。理想的鋅鹽應(yīng)具備低成本、環(huán)保和高水溶性，醋酸鋅雖然符合成本和生態(tài)需求，但溶解性差，導(dǎo)致參與電化學(xué)反應(yīng)的鋅離子不足，進而限制電池容量與倍率性能。此外，由于“鹽析”效應(yīng)，高濃度的Ac?離子會極化水分子，進而增強聚合物鏈的聚集和糾纏，提升力學(xué)性能。因此，提高醋酸鋅溶解度并將其應(yīng)用于準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，是解決電池機械耐久性和容量不足的關(guān)鍵。
針對這一挑戰(zhàn)，研究人員采用了親鋅增溶策略，成功突破了傳統(tǒng)醋酸鋅水凝膠的濃度限制。研究發(fā)現(xiàn)，由于“鹽析”效應(yīng)，高濃度的Ac?促使聚合物鏈上的水合殼層脫落，增強了鏈段之間的糾纏，從而使得拉伸率提高至557%，壓縮強度達到3.7 MPa。這一特性顯著增強了水凝膠的抗疲勞性能，使其能夠抵抗重復(fù)的鋅沉積/剝離過程以及外部物理刺激。此外，在電池運行過程中，會原位形成聚脲固體電介質(zhì)界面（SEI）層，增強了電極/電解質(zhì)界面的熱力學(xué)穩(wěn)定性。組裝的Zn//Cu電池展現(xiàn)出高達99.93%的庫侖效率，Zn//NH4V4O10軟包電池在500 mA g?1的電流密度下展現(xiàn)出280.7 mAh g?1的高比容量，并且在200個循環(huán)后容量保持率為90.13%。軟包電池的靈活性使其即使在彎曲和折疊過程中也能保持穩(wěn)定的電壓。
該研究突破了傳統(tǒng)的液態(tài)醋酸鋅電解液濃度限值，利用親鋅增溶劑構(gòu)建高濃度醋酸鋅凝膠電解質(zhì)，有效穩(wěn)定活性水分子并提升了凝膠電解質(zhì)的機械韌性和抗疲勞性能。同時，構(gòu)建了原位聚脲SEI層，增強了電極/電解質(zhì)界面的熱力學(xué)穩(wěn)定性，突顯了其在便攜式和可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用潛力。
論文第一作者為固體所博士研究生王憶凡，通訊作者為李兆乾副研究員、胡林華研究員，河北工程大學(xué)張紅副教授和武漢理工大學(xué)張磊副教授。該工作得到了安徽省科技攻堅計劃、安徽省自然科學(xué)基金和合肥物質(zhì)院院長基金的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202508556
圖1. 解決體相機械強度和界面穩(wěn)定性問題的電解質(zhì)/負極界面示意圖。
圖2. (a) Zn(Ac)?和尿素的靜電勢（ESP）分布，以及Zn2?-尿素-Ac?間相互作用的示意圖；(b) 尿素/Zn(Ac)?/H?O的相圖；(c) 電解質(zhì)中不同物種間的結(jié)合能；(d) USPH-5電解質(zhì)在O-H伸縮區(qū)域擬合后的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）；(e) 電解質(zhì)中強氫鍵和非氫鍵的比例；(f) 從USPH-5電解質(zhì)的分子動力學(xué)模擬（MD）中收集的Zn2?-Ac?、Zn2?-尿素和Zn2?-H?O的徑向分布函數(shù)（RDF）；(g) 各種電解質(zhì)的電化學(xué)窗口。
