《Nano Energy》新疆大學劉雄：磺酸基聚陰離子水凝膠電解質助力長循環鋅離子電池！

水系鋅離子電池（AZIBs）因安全環保、成本低、理論容量大，是大規模儲能的理想選擇，但實際應用受阻。Zn2+離子改變水分子活性，其溶劑化殼活性物質分解，引發析氫、副產物積累，導致電池循環性變差、庫侖效率降低，還加劇枝晶生長與鋅陽極腐蝕沉積。水凝膠電解質作為新型準固態電解質，為解決上述難題帶來希望。通過分子工程調控其溶劑化結構，可優化離子傳輸與界面電荷轉移。聚合物水凝膠網絡引入羧基 -COO-、磺酸基-SO3- 等陰離Zn2+子基團，與強靜電作用改變溶劑化模式，形成傳輸通道，促進Zn2+均勻沉積，提升離子傳導效率，抑制寄生反應和枝晶，增強AZIBs電化學性能。

鑒于此，新疆大學劉雄、劉芳菲團隊開發了一種聚陰離子水凝膠電解質(PMPC)調節長循環壽命鋅離子電池中的離子傳輸行為，聚陰離子水凝膠電解質中-SO3-基團與Zn2+配位，-NH3+基團與OTf-靜電作用，可增強離子遷移率，阻止水分子分解，抑制Zn陽極副反應。-SO3-還為Zn2+提供配位點，調節溶劑化鞘與鋅沉積動力學，取代溶劑化水分子加速脫溶劑化，重建氫鍵網絡優化Zn2+傳輸，實現高tZn2+值（0.79），構建高效傳輸途徑。該水凝膠兼具高斷裂應變（736%）與強度（48.4kPa），顯著提升電池性能：Zn對稱電池在1 mA cm-2 下循環壽命達3300 h，5 mA cm-2 時穩定1100 h；NVO/MWCNTs 復合陰極全電池循環性能優異，容量保持率高。本研究為改進準固態鋅離子電池提供新方法，助力穩定儲能系統發展。

其成果以題為“Polyanionic Hydrogel Electrolytes to Regulate Ion Transport Behavior in Long Cycle Life Zinc-ion Batteries”在Nano Energy期刊上發表。本文第一作者為雷瑜璠，通訊作者為劉雄和劉芳菲副教授，通訊單位為新疆大學。

【研究亮點】

?具有-SO3-基團的聚陰離子水凝膠增強了Zn2+離子傳輸并穩定了鋅沉積。

?水凝膠具有較高的Zn2+轉移數0.79。解釋了離子傳輸機制和鋅沉淀過程。

?Zn||Zn對稱電池在1 mA cm-2下3300 h 和5 mA cm-2下1160 h內表現出良好的穩定性。Zn//NVO全電池在5 A g-1下在2000次循環中保持了良好的循環穩定性。

【圖文導讀】

圖1. PMPC水凝膠電解質的制備過程及鋅沉積機制

a）PMPC水凝膠的制備和離子傳輸途徑的示意圖。b）LE和PMPC中鋅沉積的機制。

圖2. PMPC水凝膠電解質表征

a)FTIR光譜。b）擬合的FTIR和c) PMPC水凝膠和LE電解質的拉曼光譜。d) PMPC的SEM圖像和元素分布。e）PMPC 凝膠在 C 1s、Zn 2p、S 2p 和 O 1s 下的XPS光譜。

圖3. PMPC水凝膠機械性能測試

a）PMPC-gel、PMP-gel和PAM-gel的拉伸曲線。b）PMPC在不同應變下的循環拉伸曲線。c）PMPC凝膠在80%應變下的循環壓縮曲線。d）搭接剪切試驗圖。e）PMPC凝膠與不同基材的粘附曲線。f）5次循環的粘附強度。g）粘附機制。

圖4. 水凝膠電解質的電化學性質和溶劑化化學

a）不同電解質的奈奎斯特曲線。b）電解質的離子電導率。c）LSV電化學窗口。d）Zn/PMPC/Zn電池在不同溫度下的EIS曲線。e）不同溫度下的Arrhenius擬合圖。f） Zn2+-H2O、Zn2+-PAM和Zn2+-PMPC結合能。g）脫溶劑能。h）PMPC電解質的i-t曲線（插圖：Zn/PMPC/Zn對稱電池的EIS）。i）PMPC的分子動力學（MD）模擬快照。j）PMPC的RDF。

圖5. Zn成核和生長行為

a）塔菲爾圖。b）Zn//Cu半電池的初始循環沉積電壓曲線。c）不同電解質的CV曲線。d）CA測試。e）原位顯微鏡圖像。f）用于PMPC電解質的Zn陽極的XRD圖譜。

圖6. 電池的可逆性和穩定性測試

a）不同水凝膠電解質體系中Zn//Cu電池在第二次充放電循環過程中的電壓變化曲線。b）PMPC和LE電解質在Zn//Cu半電池中的庫侖效率。c、e、f）Zn/Zn電池長周期性能。d）以PMPC和LE為電解質的Zn//Zn電池在1mA cm-2 循環100 h。g）不同電流密度下的電壓分布。h）與近期電池相比的循環可逆性。

圖7. 在Zn//NVO全電中的應用

a）PMPC水凝膠電解質在Zn||NVO全電的CV曲線。b）不同電流密度的全電池。c）Zn||NVO全電池的倍率性能。d）1 A g-1時的長循環性能。e）5 A g-1時的長期循環性能。f） 軟包電池在2 A g-1下具有不同彎曲角度的循環性能。g）使用不同狀態的軟包電池為數字溫度計供電。

【全文總結】

本研究報道了一種聚陰離子水凝膠電解質，可促進離子擴散動力學并優化高性能ZIB的電化學脫溶劑化行為。-SO3-基團與Zn2+相互作用以調節溶劑化鞘以及鋅沉積動力學。此外，-SO3-基團具有取代溶劑化水分子的能力，加速脫溶劑化過程并重建氫鍵網絡，從而優化Zn2+離子的傳輸動力學并促進Zn負極的電化學性能。快速離子途徑產生高離子電導率 （30.4 mS cm-1）和0.79的高tZn2+值，促進均勻的Zn2+離子通量和有利的離子傳輸動力學，實現優異的穩定性和循環壽命。

【文獻鏈接】

Yufan Lei, Fangfei Liu*, Lizhi Chen, Minghui Xu,Yubo Hu, Tursun Abdiryim, Feng Xu, Jiangan You, Yun Tan, Zhouliang Tan and Xiong Liu*,Polyanionic Hydrogel Electrolytes to Regulate Ion Transport Behavior in Long Cycle Life Zinc-ion Batteries, Nano Energy, (2025)

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.1