香港城市大学支春义教授《自然·通讯》：贫水水凝胶电解质助力锌离子电池！

固态聚合物电解质（SPE）和水凝胶电解质（HPE）被开发为锌离子电池（ZIB）的电解质。水凝胶可以保留水分子并提供高离子电导率；然而，它们含有许多自由水分子，这不可避免地会在锌负极上引起副反应。SPE可以提高负极的稳定性，但它们通常拥有低的离子导电性，并导致高阻抗。

近日，香港城市大学支春义教授、中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院金旭高级工程师开发了一种贫水凝胶电解质，旨在平衡离子转移、负极稳定性、电化学稳定性窗口和电阻。具体而言，这项工作选择了一种聚合物两性离子（PZI）作为聚合物骨架，其中磺酸盐终端结合了亲水和亲锌的特性，锌盐作为配位单元发挥作用。研究显示，磺酸盐阴离子作为氢键受体的功能，可以被水分子润滑，以促进锌离子的解离，并增强水分子的电化学稳定性。所设计的贫水水凝胶电解质在贫水含量（20wt%）下提供了一个更宽的电压窗口和2.6 × 10-3S cm-1的离子传导率。全电池表现出可忽略的产气和优秀的循环性能，在5C和1C的条件下分别达到4000次和1500次。此外，贫水水凝胶电解质表现出对电极的高粘附性，在柔性的ZIBs中提供了牢固的界面。总体而言，贫水水凝胶电解质的设计在HPE和SPE之间提供了一个重要的平衡，以获得高稳定性和离子传导性。

文章要点：

1. 这项工作通过开发一种介于传统HPE和SPE之间的贫水水凝胶电解质，在在HPE和SPE之间提供了一个重要的平衡。

2. 两性离子水凝胶电解质（ZIG）是以共价键的正负电荷基团为聚合物骨架，以锌盐为配位单元制备的，构建了一个特殊的离子通道，在引入少量的水后，通过润滑机制可以显著改善Zn2+的解离和运输，即使在贫水条件下也能获得令人印象深刻的离子传导性（2.6 × 10-3S cm-1）。

3. 对水分子中O-H结构的操纵显著地扩大了电化学稳定性窗口，并抑制了负极侧的副反应，因此，高度可逆的锌沉积/剥离显示了负极的卓越稳定性。

4. 由于这些优势，全电池获得了优异的循环稳定性。此外，此外，水凝胶电解质在贫水条件下对电极的优异粘附能力可以使柔性电池具有优异的剪切应力耐受性。

5. 该研究结果提供了一种准固态电解质，它提供了接近传统水凝胶的离子传导性，以及宽广的电化学稳定性窗口和接近SPE的对锌负极副反应的卓越抑制。

图1 水凝胶离子传输机制的示意图

图2 材料表征

图3 不同电解质的电化学稳定性窗口和锌负极的稳定性

图4 Zn||MnHCF电池的电化学性能

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