近期，中國科學院合肥物質院固體所能源材料與器件制造研究部胡林華研究員團隊在水系鋅離子電池凝膠電解質研究方面取得新進展?？蒲腥藛T構建了一種高電導率和強保濕性的水凝膠電解質，有效打斷了水分子團簇，增強了水的共價性，從而擴大了電化學穩(wěn)定窗口，使電池能在寬溫區(qū)運行工作。相關成果發(fā)表在國際期刊Advanced Energy Materials 上。

不可逆的電解質相變和加速的寄生反應會極大損害水系鋅離子電池的氣候適應性。水分子的活性是影響電解質凝固點、電化學穩(wěn)定窗口和鋅沉積行為的關鍵因素，因此，改善水的活性是提升水系電池溫度適應性的關鍵。與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質相比，水凝膠電解質具有防滲漏、結構穩(wěn)定和可調節(jié)的機械柔韌性等優(yōu)勢，通過合理的結構設計，可以有效抑制水的活性。然而，目前報道的電池在極端環(huán)境條件下的充放電性能普遍不理想，尤其是在季節(jié)和維度變化較大的情況下，這限制了水系鋅基電池的廣泛應用。此外，水分子的配位環(huán)境、鋅離子的溶劑化結構以及鋅與電解質界面的耐溫機制也有待深入研究。

鑒于此，固體所研究人員構建了一種 "共價增強型 "水凝膠電解質，它具有優(yōu)異的界面粘附性和強大的保濕能力。通過有效調節(jié)水環(huán)境和鋅離子的溶劑化結構，這種電解質實現(xiàn)了冰點的降低、蒸發(fā)特性的改善以及界面副反應活性的降低，從而在各種氣候條件下實現(xiàn)了電解質的穩(wěn)定運行。理論模擬分析證實了電解質機械性能的改善和鋅界面的熱力學穩(wěn)定性。這些都有利于抵御枝晶并解決電極與電解液之間的接觸不良問題，使得電池具有-40~130 ?C的寬溫工作范圍，在-40~70 ?C內(nèi)也能穩(wěn)定運行。

該研究提出一種高電導率和強保濕性的水凝膠電解質，利用相關離子物種對水分子的錨定和鋅離子溶劑化層的調節(jié)，有效打斷水分子團簇，提升了水的共價性和穩(wěn)定性，從而拓寬電化學窗口并能在寬溫區(qū)穩(wěn)定工作，為極端環(huán)境下電池的運行提供了新思路。

論文第一作者為固體所博士研究生王憶凡，通訊作者為李兆乾副研究員、胡林華研究員和中南大學周江教授。該工作得到了合肥物質院院長基金的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202402041?af=R

圖1. a) 電解質結構的設計和構造示意圖；b) Glu/ZC/PAM（左側）和純 ZC（右側）中的鋅沉積行為示意圖。

圖2.a) 各種電解質的傅立葉變換紅外光譜；b) 電解質在O-H伸縮振動區(qū)域的擬合拉曼光譜；c) 電解質中強H鍵和非H鍵的比例；d) 不同分子與水分子的結合能；e) 裸Zn、葡萄糖/Zn和聚丙烯酰胺/Zn吸附H⁺的吉布斯自由能(ΔG_H)；f) 通過分子動力學模擬得出Zn²⁺-O₁ (Glu), Zn²⁺-O₂ (ClO₄^-) and Zn²⁺-O₃ (H₂O)的徑向分布函數(shù)。