《Nano Energy》新疆大学刘雄：磺酸基聚阴离子水凝胶电解质助力长循环锌离子电池！

水系锌离子电池（AZIBs）因安全环保、成本低、理论容量大，是大规模储能的理想选择，但实际应用受阻。Zn2+离子改变水分子活性，其溶剂化壳活性物质分解，引发析氢、副产物积累，导致电池循环性变差、库仑效率降低，还加剧枝晶生长与锌阳极腐蚀沉积。水凝胶电解质作为新型准固态电解质，为解决上述难题带来希望。通过分子工程调控其溶剂化结构，可优化离子传输与界面电荷转移。聚合物水凝胶网络引入羧基 -COO-、磺酸基-SO3- 等阴离Zn2+子基团，与强静电作用改变溶剂化模式，形成传输通道，促进Zn2+均匀沉积，提升离子传导效率，抑制寄生反应和枝晶，增强AZIBs电化学性能。

鉴于此，新疆大学刘雄、刘芳菲团队开发了一种聚阴离子水凝胶电解质(PMPC)调节长循环寿命锌离子电池中的离子传输行为，聚阴离子水凝胶电解质中-SO3-基团与Zn2+配位，-NH3+基团与OTf-静电作用，可增强离子迁移率，阻止水分子分解，抑制Zn阳极副反应。-SO3-还为Zn2+提供配位点，调节溶剂化鞘与锌沉积动力学，取代溶剂化水分子加速脱溶剂化，重建氢键网络优化Zn2+传输，实现高tZn2+值（0.79），构建高效传输途径。该水凝胶兼具高断裂应变（736%）与强度（48.4kPa），显著提升电池性能：Zn对称电池在1 mA cm-2 下循环寿命达3300 h，5 mA cm-2 时稳定1100 h；NVO/MWCNTs 复合阴极全电池循环性能优异，容量保持率高。本研究为改进准固态锌离子电池提供新方法，助力稳定储能系统发展。

其成果以题为“Polyanionic Hydrogel Electrolytes to Regulate Ion Transport Behavior in Long Cycle Life Zinc-ion Batteries”在Nano Energy期刊上发表。本文第一作者为雷瑜璠，通讯作者为刘雄和刘芳菲副教授，通讯单位为新疆大学。

【研究亮点】

⭐具有-SO3-基团的聚阴离子水凝胶增强了Zn2+离子传输并稳定了锌沉积。

⭐水凝胶具有较高的Zn2+转移数0.79。解释了离子传输机制和锌沉淀过程。

⭐Zn||Zn对称电池在1 mA cm-2下3300 h 和5 mA cm-2下1160 h内表现出良好的稳定性。Zn//NVO全电池在5 A g-1下在2000次循环中保持了良好的循环稳定性。

【图文导读】

图1. PMPC水凝胶电解质的制备过程及锌沉积机制

a）PMPC水凝胶的制备和离子传输途径的示意图。b）LE和PMPC中锌沉积的机制。

图2. PMPC水凝胶电解质表征

a)FTIR光谱。b）拟合的FTIR和c) PMPC水凝胶和LE电解质的拉曼光谱。d) PMPC的SEM图像和元素分布。e）PMPC 凝胶在 C 1s、Zn 2p、S 2p 和 O 1s 下的XPS光谱。

图3. PMPC水凝胶机械性能测试

a）PMPC-gel、PMP-gel和PAM-gel的拉伸曲线。b）PMPC在不同应变下的循环拉伸曲线。c）PMPC凝胶在80%应变下的循环压缩曲线。d）搭接剪切试验图。e）PMPC凝胶与不同基材的粘附曲线。f）5次循环的粘附强度。g）粘附机制。

图4. 水凝胶电解质的电化学性质和溶剂化化学

a）不同电解质的奈奎斯特曲线。b）电解质的离子电导率。c）LSV电化学窗口。d）Zn/PMPC/Zn电池在不同温度下的EIS曲线。e）不同温度下的Arrhenius拟合图。f） Zn2+-H2O、Zn2+-PAM和Zn2+-PMPC结合能。g）脱溶剂能。h）PMPC电解质的i-t曲线（插图：Zn/PMPC/Zn对称电池的EIS）。i）PMPC的分子动力学（MD）模拟快照。j）PMPC的RDF。

图5. Zn成核和生长行为

a）塔菲尔图。b）Zn//Cu半电池的初始循环沉积电压曲线。c）不同电解质的CV曲线。d）CA测试。e）原位显微镜图像。f）用于PMPC电解质的Zn阳极的XRD图谱。

图6. 电池的可逆性和稳定性测试

a）不同水凝胶电解质体系中Zn//Cu电池在第二次充放电循环过程中的电压变化曲线。b）PMPC和LE电解质在Zn//Cu半电池中的库仑效率。c、e、f）Zn/Zn电池长周期性能。d）以PMPC和LE为电解质的Zn//Zn电池在1mA cm-2 循环100 h。g）不同电流密度下的电压分布。h）与近期电池相比的循环可逆性。

图7. 在Zn//NVO全电中的应用

a）PMPC水凝胶电解质在Zn||NVO全电的CV曲线。b）不同电流密度的全电池。c）Zn||NVO全电池的倍率性能。d）1 A g-1时的长循环性能。e）5 A g-1时的长期循环性能。f） 软包电池在2 A g-1下具有不同弯曲角度的循环性能。g）使用不同状态的软包电池为数字温度计供电。

【全文总结】

本研究报道了一种聚阴离子水凝胶电解质，可促进离子扩散动力学并优化高性能ZIB的电化学脱溶剂化行为。-SO3-基团与Zn2+相互作用以调节溶剂化鞘以及锌沉积动力学。此外，-SO3-基团具有取代溶剂化水分子的能力，加速脱溶剂化过程并重建氢键网络，从而优化Zn2+离子的传输动力学并促进Zn负极的电化学性能。快速离子途径产生高离子电导率 （30.4 mS cm-1）和0.79的高tZn2+值，促进均匀的Zn2+离子通量和有利的离子传输动力学，实现优异的稳定性和循环寿命。

【文献链接】

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