近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部胡林華研究員團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池凝膠電解質(zhì)研究方面取得新進(jìn)展。科研人員構(gòu)建了一種高電導(dǎo)率和強(qiáng)保濕性的水凝膠電解質(zhì)，有效打斷了水分子團(tuán)簇，增強(qiáng)了水的共價(jià)性，從而擴(kuò)大了電化學(xué)穩(wěn)定窗口，使電池能在寬溫區(qū)運(yùn)行工作。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Energy Materials (Adv. Energy Mater., 2024, DOI: 10.1002/aenm.202402041)上。

不可逆的電解質(zhì)相變和加速的寄生反應(yīng)會(huì)極大損害水系鋅離子電池的氣候適應(yīng)性。由于水活性會(huì)影響電解質(zhì)凝固點(diǎn)、電化學(xué)穩(wěn)定窗口和界面鋅沉積行為，因而是改善水系電池溫度適應(yīng)性的重要切入點(diǎn)。相比于液態(tài)電解質(zhì)，水凝膠電解質(zhì)具有防滲漏特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)的機(jī)械柔韌性，對(duì)其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后可有效抑制水活性。然而，目前所報(bào)道的電池充放電容量在極端環(huán)境條件下大都不盡人意，尤其受季節(jié)和維度因素影響嚴(yán)重，這不利于水系鋅基電池的廣泛應(yīng)用。此外，蘊(yùn)藏于水分子的配位環(huán)境、Zn2+溶劑化和Zn/電解質(zhì)界面的耐溫機(jī)制也亟待分析。

鑒于此，固體所研究人員構(gòu)建了一種 "共價(jià)增強(qiáng)型 "水凝膠電解質(zhì)，它具有優(yōu)異的界面粘附性和強(qiáng)大的保濕能力。水環(huán)境和Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)被有效調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致冰點(diǎn)的延遲、蒸發(fā)特性的改善以及界面處副反應(yīng)活性的降低，促進(jìn)了電解質(zhì)在各種氣候條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。理論模擬分析證實(shí)了電解質(zhì)機(jī)械性能的改善和Zn界面的熱力學(xué)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(yùn)行。

該研究提出一種高電導(dǎo)率和強(qiáng)保濕性的水凝膠電解質(zhì)，利用相關(guān)離子物種對(duì)水分子的錨定和鋅離子溶劑化層的調(diào)節(jié)，有效打斷水分子團(tuán)簇，提升了水的共價(jià)性和穩(wěn)定性，從而拓寬電化學(xué)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(yùn)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(xué)周江教授。該工作得到了合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)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(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造示意圖；b) Glu/ZC/PAM（左側(cè)）和純 ZC（右側(cè)）中的鋅沉積行為示意圖。

圖2. a) 各種電解質(zhì)的傅立葉變換紅外光譜；b) 電解質(zhì)在O-H伸縮振動(dòng)區(qū)域的擬合拉曼光譜；c) 電解質(zhì)中強(qiáng)H鍵和非H鍵的比例；d) 不同分子與水分子的結(jié)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) 通過分子動(dòng)力學(xué)模擬得出Zn2+-O1 (Glu), Zn2+-O2 (ClO4-) and Zn2+-O3 (H2O)的徑向分布函數(shù)。