固体所在水系锌离子电池凝胶电解质研究方面取得新进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所能源材料与器件制造研究部胡林华研究员团队在水系锌离子电池凝胶电解质研究方面取得新进展。科研人员构建了一种高电导率和强保湿性的水凝胶电解质，有效打断了水分子团簇，增强了水的共价性，从而扩大了电化学稳定窗口，使电池能在宽温区运行工作。相关成果发表在国际期刊Advanced Energy Materials (Adv. Energy Mater., 2024, DOI: 10.1002/aenm.202402041)上。

不可逆的电解质相变和加速的寄生反应会极大损害水系锌离子电池的气候适应性。由于水活性会影响电解质凝固点、电化学稳定窗口和界面锌沉积行为，因而是改善水系电池温度适应性的重要切入点。相比于液态电解质，水凝胶电解质具有防渗漏特性、结构稳定性和可调节的机械柔韧性，对其进行合理的结构设计后可有效抑制水活性。然而，目前所报道的电池充放电容量在极端环境条件下大都不尽人意，尤其受季节和维度因素影响严重，这不利于水系锌基电池的广泛应用。此外，蕴藏于水分子的配位环境、Zn2+溶剂化和Zn/电解质界面的耐温机制也亟待分析。

鉴于此，固体所研究人员构建了一种 "共价增强型 "水凝胶电解质，它具有优异的界面粘附性和强大的保湿能力。水环境和Zn2+溶剂化结构被有效调节，从而导致冰点的延迟、蒸发特性的改善以及界面处副反应活性的降低，促进了电解质在各种气候条件下的稳定运行。理论模拟分析证实了电解质机械性能的改善和Zn界面的热力学稳定性。这些都有利于抵御枝晶并解决电极与电解液之间的接触不良问题，使得电池具有-40~130 ˚C的宽温工作范围，在-40~70 ˚C内也能稳定运行。

该研究提出一种高电导率和强保湿性的水凝胶电解质，利用相关离子物种对水分子的锚定和锌离子溶剂化层的调节，有效打断水分子团簇，提升了水的共价性和稳定性，从而拓宽电化学窗口并能在宽温区稳定工作，为极端环境下电池的运行提供了新思路。

论文第一作者为固体所博士研究生王忆凡，通讯作者为李兆乾副研究员、胡林华研究员和中南大学周江教授。该工作得到了合肥物质院院长基金的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202402041?af=R

图1. a) 电解质结构的设计和构造示意图；b) Glu/ZC/PAM（左侧）和纯 ZC（右侧）中的锌沉积行为示意图。

图2. a) 各种电解质的傅立叶变换红外光谱；b) 电解质在O-H伸缩振动区域的拟合拉曼光谱；c) 电解质中强H键和非H键的比例；d) 不同分子与水分子的结合能；e) 裸Zn、葡萄糖/Zn和聚丙烯酰胺/Zn吸附H+的吉布斯自由能(ΔGH)；f) 通过分子动力学模拟得出Zn2+-O1 (Glu), Zn2+-O2 (ClO4-) and Zn2+-O3 (H2O)的径向分布函数。