《AM》长安大学苟蕾/樊小勇团队突破柔性水凝胶锌电池瓶颈！

柔性锌离子电池需兼顾安全性与形变适应性，而传统液态电解质易泄漏且难集成。天然多糖基水凝胶虽具生物相容性优势，但普遍存在机械强度弱（通常＜1 MPa）、离子电导率低（＜10 mS cm⁻¹）的缺陷。现有改性方案依赖合成聚合物或纳米填料，又牺牲了环境友好性。

物理-化学双网络协同

长安大学苟蕾教授、樊小勇教授团队开发的全生物基水凝胶电解质Phos-XK，通过精准调控磷酸单酯（MPE）与双酯（DPE）比例，攻克了天然聚合物电解质机械强度与离子电导率难以兼得的行业难题。

柔性锌离子电池的发展长期受限于传统液态电解质泄漏风险及天然水凝胶的"双低"困境——机械强度普遍低于1 MPa，离子电导率不足10 mS cm⁻¹。现有改性方案依赖合成聚合物或纳米填料，却牺牲了环境友好性。该团队创新性地采用"物理交联筑基，磷酸化定向优化"策略（图1）：首先在65℃下通过魔芋葡甘聚糖（KGM）与黄原胶（XG）的螺旋-线团转变形成氢键网络骨架（XK水凝胶），进而引入磷酸基团并通过柠檬酸精准调控MPE（离子通道）与DPE（交联锚点）比例为1:2.7，形成类斜拉桥结构——DPE如"钢索"强化机械稳定性，MPE似"高速路"加速离子迁移。

图 1.Phos-XK-1 水凝胶电解质的全面图示。

双优指标与超稳循环

Phos-XK-1展现出卓越的综合性能（图2）：拉伸强度达2.524 MPa（较基础XK提升73%），离子电导率20.72 mS cm⁻¹（为液态电解质3.6倍），居生物基水凝胶前列。其磷酸酯基团赋予优异阻燃性，10天开放环境保水率达59.7%。电化学性能更为突出：Zn//Zn对称电池在0.5 mA cm⁻²下稳定运行3000小时，5 mA cm⁻²高倍率循环超800小时；Zn//Cu电池库仑效率达99.45%且保持1200周，远超文献值。理论计算揭示性能提升根源（图3）：MPE的P=O/P-O⁻基团静电势为负，与Zn²⁺结合能（5.07 eV）显著高于水合锌离子（3.77 eV），有效竞争溶剂化鞘；[Zn(H₂O)₅(MPE)]²⁺脱水电势仅需0.21–1.93 eV，较[Zn(H₂O)₆]²⁺（0.39–3.76 eV）大幅降低。COMSOL模拟证实其使离子浓度场与电场分布高度均一，从根源抑制枝晶。

图 2.Phos-XK-1 水凝胶电解质的基本性质表征。

图 3.Phos-XK-1 水凝胶中磷酸酯改性机理的理论计算。

独特界面调控机制

实验验证了独特界面调控机制（图4）：计时电流法显示Zn²⁺在50秒内切换至3D扩散模式（电流稳定于7.2 mA），而液态电解质需500秒；原位拉曼显示SO₄²⁻峰强度恒定，印证离子通量均匀；显微观测证实锌沉积层平整致密，激光共聚焦显示表面粗糙度极低。

图 4.Phos-XK-1 水凝胶机制的实验研究。

柔性集成

该材料更成功应用于柔性场景（图5）：Zn//MnO₂全电池在0.2 A g⁻¹下容量137.45 mAh g⁻¹，2000周循环容量保持70%；180°弯曲50周后容量保持94.9%，腕带电池可稳定供电。其生物相容性突出：与成纤维细胞、巨噬细胞共培养72小时存活率无显著差异；微生物环境下10天完全降解为葡萄糖醛酸，环境毒性为零。该研究通过分子设计实现天然聚合物性能跃升，为柔性电子提供兼具20.72 mS cm⁻¹离子电导、2.5 MPa强度、3000小时循环寿命的可降解电解质新方案。

图 5.验证 Phos-XK-1 水凝胶电解质在柔性锌离子电池中的有效性、生物相容性和生物降解性。

来源：高分子科学前沿