【水系锌电】中国林业科学研究院CEJ:用于高可逆水性锌离子电池的多尺度应力分散和双场调节双相水凝胶电解质-Qiangsong Ji

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172079

【作者单位】

中国林业科学研究院林产化学工业研究所

【论文摘要】

采用水凝胶电解质的水系锌离子电池（AZIBs）因其本质安全和机械稳定性，已成为柔性储能领域极具前景的可持续方案。然而，传统水凝胶电解质固有的韧性差、Zn²⁺迁移数低以及缺乏电场调控能力，会加剧不可控的锌枝晶生长和副反应，对锌负极与水凝胶电解质之间的界面稳定性构成重大挑战。本文提出一种新型双相水凝胶电解质，通过“聚合-盐析-配位”策略同步实现多尺度应力分散与双场调控。该精心设计的水凝胶电解质具备17.5kJm⁻²的高韧性、60.6mScm⁻¹的离子电导率以及0.753的Zn²⁺迁移数，协同实现高度可逆的锌沉积/剥离和卓越的界面稳定性。基于此，Zn||NaV₃O₈·1.5H₂O（NVO）全电池展现出优异的电化学性能：在0.5Ag⁻¹下容量高达375.4mAhg⁻¹，在8Ag⁻¹下仍保持188.9mAhg⁻¹的倍率能力，且在3000次循环后容量保持率达91.6%；即便在高温、高湿及−30°C等严苛条件下仍能持续稳定运行。此外，组装的柔性软包电池表现出卓越的机械与环境适应性，即使在室温及−30°C下剧烈弯折，仍可稳定驱动环形灯工作。这项工作不仅为多官能水凝胶电解质中的锌负极化学提供了基础性洞见，也为构建先进锌基储能器件提供了实用化指导。

【实验方法】

水凝胶电解质的制备：PAAm-CMC₁-SCNTs₁₅水凝胶电解质通过“聚合-盐析”工艺制备。典型步骤：将CMC（0.3g）完全溶于去离子水（15g），加入SWCNTs分散液（0.2wt%，15g），搅拌2h后于冰浴中超声5min，得到均一CMC-SCNTs混合液。随后依次加入AAm（40g）、交联剂MBAA（3mg）及热引发剂APS（1.7mg），充分搅拌1h。将前驱液倒入模具，60°C静置3h完成交联聚合。所得水凝胶立即转入30wt%(NH₄)₂SO₄+3molkg⁻¹Zn(CH₃COO)₂混合溶液中浸泡12h，触发盐析与配位过程，最终获得兼具多尺度应力分散与电子/离子双场调控功能的水凝胶电解质。作为对照，纯PAAm水凝胶电解质按相同流程制备：将AAm（40g）、MBAA（3mg）、APS（1.7mg）依次加入去离子水（30g），搅拌1h后60°C聚合3h，再于上述盐溶液中浸泡12h即可。

NaV₃O₈·1.5H₂O（NVO）正极的制备：NVO纳米带采用已报道的液-固法合成：将商业V₂O₅粉末（1g）加入2molL⁻¹NaCl水溶液（15mL），30°C磁力搅拌96h；所得棕红色悬液经去离子水多次洗涤、10000rpm离心收集后，冷冻干燥即得NVO纳米带。正极制备：按8:1:1质量比将NVO纳米带、SuperP与PVDF混合，加入适量NMP，球磨均匀后涂覆于碳布上，80°C真空干燥10h，最终获得活性物质负载量3–5mgcm⁻²的NVO正极。

【图文摘取】

【主要结论】

本文通过“聚合-盐析-配位”策略，构筑了一种新型双相PAAm-CMC-SCNTs水凝胶电解质。该电解质前所未有地将超高机械强度与双场（电子/离子）调控能力融为一体。

（1）源于相分离结构的多尺度应力分散机制可在刚性PAAm相、柔性CMC链及高模量SCNTs之间高效耗散能量，赋予水凝胶电解质卓越的韧性（断裂能17.5kJm⁻²）与优异的弹性（100%应变下回弹率99%），从而重新分配应力、抑制锌枝晶生长并防止界面失效。

（2）双场调控机制通过消除局部尖端效应并引导锌的平面沉积，确保界面高度稳定：CMC提供的阴离子–COO⁻基团构建定向迁移通道，均化Zn²⁺通量；高导电SCNTs网络促进电荷快速转移、避免电荷积聚，从而重新分布电场。有限元模拟进一步定量可视化了锌负极界面处应力、Zn²⁺浓度及电场的均匀分布，有力支撑了上述机制。

（3）凭借这些优势，Zn||NVO全电池在室温下不仅展现出超高比容量（0.5Ag⁻¹时375.4mAhg⁻¹）、优异倍率性能，还在3000次循环后保持91.6%容量；即便在60°C、90%RH高湿及−30°C极寒等严苛环境中，仍能长期稳定运行。更值得关注的是，所组装的柔性软包电池可在上述宽温域内可靠工作，即使在室温或−30°C下剧烈弯折，仍能持续点亮环形灯。

本工作为先进水凝胶电解质提供了整体化设计策略，为其在高性能柔性可穿戴电子器件中的应用铺平了道路。