《AEM》西交唐伟/东南吴宇平/川大张千玉：从-70°C到100°C，水凝胶电解质综述！

水系锌离子电池（AZIBs）因其成本低、安全性高和环境友好等优势，成为下一代储能器件的有力竞争者。然而，传统液态电解质在宽温域应用中面临电化学稳定窗口窄、电极/电解质界面不稳定等问题。近年来，水凝胶电解质（HEs）已经作为准固态电解质被开发用于AZIBs，兼具液态电解质的高离子电导率和固态电解质的机械稳定性。

2025年9月23日，西安交通大学唐伟教授、东南大学吴宇平教授（国家杰青/非洲科学院院士）和四川大学张千玉副研究员在《Advanced Energy Materials》上发表题为“Hydrogel Electrolytes for Temperature Robust Aqueous Zinc-Ion Batteries”的综述文章。该文指出，为拓宽AZIBs在极端环境（如极地科考、深空探测、夏季电动汽车等）下的应用，亟需开发能在宽温范围（-50°C至100°C）内稳定工作的HEs。文章系统梳理了HEs在低温（LTHEs）、高温（HTHEs）及宽温（L-HTHEs）条件下的失效机制，并总结了三大改性策略：高浓度盐策略、添加剂引入策略以及热自保护机制的设计。

在低温改性方面，高浓度盐（如Zn(BF₄)₂、ZnBr₂）能通过离子-偶极作用破坏水分子间的氢键网络，降低自由水含量，形成接触离子对（CIPs）和聚集体（AGGs），优化Zn²⁺溶剂化结构，显著降低凝固点。同时，添加乙醇、乙二醇、甘油等抗冻剂也能通过形成更强的水-添加剂氢键抑制冰晶形成。研究表明，采用Zn(BF₄)₂-PAM基HEs的电池在-70°C仍能稳定工作，而浸泡于7.5 M ZnBr₂的PAM水凝胶在-60°C下循环2000次仍保持良好性能。

在高温改性方面，通过引入高沸点有机添加剂（如1,5-戊二醇、DMF）可重构氢键网络，抑制水分蒸发和析氢反应（HER），并原位形成热稳定的SEI层抑制枝晶和副反应。例如，PAM-PAMPS-10PD凝胶在100°C下循环3000次仍保持稳定。此外，热响应型水凝胶（如PNIPAM）能通过溶胶-凝胶转变实现热自保护，在高温下阻断离子迁移，防止热失控。

在宽温双向调控方面，通过多元协同策略（如共溶剂、双网络结构、阴-阳离子共重构）可同时提升低温和高温性能。例如，ZGBCP水凝胶通过阴-阳离子溶剂化结构共重构策略，在-40°C至50°C范围内展现优异离子电导和界面稳定性。BM-gel电解质结合乙二醇包覆和弹性涂层，在-20°C至80°C实现稳定循环。

该综述还指出，未来的研究需深入揭示极端温度下AZIBs的失效机制，开发可逆交联聚合物基质，探索环保添加剂与可回收设计，并推动WTHEs从实验室走向规模化应用。通过人工智能辅助配方优化、生物聚合物材料应用以及标准化回收流程建立，有望实现AZIBs在极端环境下的高效、安全储能。

1、系统梳理宽温水凝胶电解质的失效机制与改性策略，涵盖低温冻结、高温蒸发、枝晶生长等关键问题，并提出高浓度盐、添加剂引入、热自保护等多路径解决方案。

2、突出多元协同改性策略的优越性，如阴-阳离子共重构、双网络结构、有机/无机复合等，实现-70°C至100°C宽温域内电池稳定运行。

3、前瞻性提出未来研究方向，包括AI辅助材料设计、可降解水凝胶开发、标准化回收体系构建，为AZIBs的实用化与商业化提供理论支撑和技术路径。

图1 WTHEs在极端温度下面临的主要挑战图示

图2 高浓度盐策略调控Zn²⁺溶剂化结构与抗冻机理

图3 高温下有机添加剂优化溶剂化结构与均匀离子传输

图4 热自保护水凝胶的热响应相变与水分调控机制

图5 宽温双向调控策略中的协同改性机制与性能总结

该综述系统总结了面向宽温应用的水凝胶电解质在AZIBs中的最新研究进展，重点分析了其在极端温度下的失效机理及改性策略。通过高浓度盐、抗冻/耐热添加剂、热自保护机制以及多元协同设计，显著提升了AZIBs在-70°C至100°C范围内的电化学性能与安全性。未来研究应聚焦于机理深度解析、智能材料开发、绿色可持续工艺及规模化制造，以推动AZIBs在极端环境储能领域的实际应用。

文献链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202503226

来源：新能源前沿