摘要：水系锌离子电池（AZIBs）因其本征安全性、低成本和820 mAh g⁻¹的高理论容量，成为下一代储能体系的有力竞争者。然而，传统电解液中活性水分子引发的枝晶生长、电化学惰性副产物及析氢反应（HER）严重限制了电池的循环寿命。尤其在极端温度下，游离水分子在低温

水系锌离子电池（AZIBs）因其本征安全性、低成本和820 mAh g⁻¹的高理论容量，成为下一代储能体系的有力竞争者。然而，传统电解液中活性水分子引发的枝晶生长、电化学惰性副产物及析氢反应（HER）严重限制了电池的循环寿命。尤其在极端温度下，游离水分子在低温结冰或高温蒸发，进一步加剧离子传输障碍和界面副反应，阻碍了AZIBs的实际应用。

武汉大学陈朝吉教授、余乐副研究员和武汉工程大学谌伟民副教授合作开发出一种兼具拉伸性、粘附性和抗冻特性的双功能水调控水凝胶电解质（PAM-ZnK4Ac）。该材料通过聚丙烯酰胺（PAM）链上的酰胺基团（–CONH₂）与醋酸根（Ac⁻）的协同作用，重构水分子氢键网络，显著抑制界面副反应。基于此电解质的锌铜（Zn||Cu）电池在500次循环中实现99.7%的平均库伦效率；锌聚苯胺（Zn||PANI）电池在-20°C下循环1100次后容量保持率达81.4%，且可在-20至100°C宽温域稳定工作，为极端环境储能和柔性电子器件提供了新解决方案。 相关论文以“ Stretchable, Adhesive, Anti-Freezing Hydrogel Electrolytes with Dual-Functional Water Regulation Enabled by Amide Group–Salt–Water Interactions for All-Climate Zinc-Ion Batteries ”为题，发表在Advanced Materials上。

材料设计与性能验证

图1 展示了PAM-ZnKnAc水凝胶电解质的结构设计与多功能特性。该电解质通过酰胺基团和Ac⁻的氢键作用调控水活性，将游离水转化为结合水（图1a）。其实物表现出优异拉伸性（图1b），且拉伸强度随醋酸钾（KAc）含量变化：当Zn(Ac)₂/KAc质量比为1:3时达到峰值≈30 kPa（图1c）。同时，电解质对锌板、碳布@聚苯胺（CC@PANI）、塑料和橡胶均具强粘附性（图1d），与锌板和PANI阴极的剪切强度分别为≈15 kPa和≈10 kPa（图1e）。在60°C高温下，PAM-ZnK4Ac/5Ac/6Ac样品形貌稳定且保水率≈70%（图1f-g），凸显其热稳定性。

图1. PAM-ZnKnAc水凝胶电解质的结构设计与多功能表征 a) 水凝胶电解质设计示意图。 b) PAM-ZnK4Ac水凝胶电解质的高拉伸性光学照片。比例尺：1 cm。 c) PAM-ZnKnAc水凝胶电解质的应力-应变曲线。 d) PAM-ZnK4Ac水凝胶电解质在不同基底（锌板、CC@PANI、塑料、橡胶）上的粘附性。比例尺：1.5 cm。 e) PAM-ZnK4Ac水凝胶电解质在锌和CC@PANI基底上的剪切强度。 f) PAM-ZnKnAc水凝胶电解质在60°C加热60分钟前后的光学照片。比例尺：1 cm。 g) PAM-ZnKnAc水凝胶电解质在60°C的质量保留率随时间变化曲线。

化学相互作用分析

图2 通过光谱学揭示了电解质内的关键机制。FTIR谱中1560 cm⁻¹和1410 cm⁻¹处的特征峰证实了醋酸锌/钾与聚合物的离子络合（图2a）。拉曼光谱分析显示，随着KAc含量增加，水分子强氢键（代表四面体配位）比例从22.2%降至16.2%（图2b-d），表明Ac⁻通过单齿配位释放羰基形成水-聚合物氢键，有效抑制水活性和副反应。

图2. PAM-ZnKnAc水凝胶电解质的化学相互作用分析 a) PAM-ZnKnAc水凝胶电解质的FTIR对比谱图。 b) O–H伸缩振动区的拉曼光谱。 c) 拟合的O–H伸缩振动峰（强、中、弱氢键水分子）。 d) 拉曼光谱中强、中、弱氢键水分子的面积比例。

电化学性能优势

图3 对比了不同电解质的电化学行为。使用PAM-ZnK4Ac的锌对称电池在-20°C稳定运行1300小时（图3a），室温下循环1400小时无显著极化（图3b），寿命超对照组7倍。其倍率性能在0.5–5 mA cm⁻²电流密度下稳定（图3c）。锌铜电池库伦效率达99.7%（500次循环）（图3d），首效96.7%（图3e），优于文献报道值（图3f）。

图3. 不同水凝胶电解质中锌负极的电化学性能对比 a) -20°C下基于不同电解质的Zn||Zn对称电池电压-时间曲线。 b) 室温下Zn||Zn对称电池的循环稳定性。 c) 0.5–5 mA cm⁻²电流密度下的倍率性能（固定容量1.0 mAh cm⁻²）。 d) Zn||Cu不对称电池的锌沉积/剥离库伦效率（CE）。 e) 不同电解质组装的Zn||Cu电池首圈电压曲线。 f) 长期CE性能与文献对比。

锌沉积机理

图4 阐明了沉积形貌与离子传输机制。PAM-ZnK4Ac调控下的锌沉积均匀致密（图4a），而高盐含量配方（PAM-ZnK5Ac/6Ac）则出现裂纹和孔洞（图4b-c）。XRD显示PAM-ZnK4Ac沉积锌的(002)晶面择优生长（I₍₀₀₂₎/I₍₁₀₁₎=91.0）（图4d-e），有利于抑制枝晶。其离子电导率达34.7 mS cm⁻¹（图4f），归因于酰胺基引导的Zn²⁺定向迁移与Ac⁻促进的离子通道形成。

图4. PAM-ZnK4Ac水凝胶电解质调控的锌沉积行为 a–c) 不同电解质中1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²循环100次后锌沉积的SEM图。 d) 循环50次后锌沉积的XRD谱图。 e) XRD中I₍₀₀₂₎/I₍₁₀₁₎强度比的定量结果。 f) 奈奎斯特图。插图：不同电解质的离子电导率计算结果。

全电池应用与柔性验证

图5 证实了PAM-ZnK4Ac的实际性能。Zn||PANI电池在-20°C循环1100次后容量保持81.4%（图5b），在-20–100°C温域内容量>100 mAh g⁻¹（图5d）。软包电池在-20°C可点亮LED（图5e），经受弯曲和锤击后仍稳定工作（图5f），彰显其机械鲁棒性与低温适应性。

图5. 基于PAM-ZnKnAc水凝胶电解质的Zn||PANI电池电化学性能 a) 室温下不同电解质组装的Zn||PANI电池第1次和第600次循环的充放电曲线。 b) -20°C下Zn||PANI电池的循环稳定性与CE。 c) -20°C、0.2–3 A g⁻¹电流密度下的倍率性能。 d) -20至100°C温域内Zn||PANI电池的循环性能。 e) -20°C下两个串联软包电池点亮LED的照片。 f) 软包电池在弯曲和锤击测试中保持功能的照片。

总结与展望

该研究通过酰胺基与Ac⁻的双功能水调控机制，成功开发出宽温域水凝胶电解质，解决了锌负极枝晶生长和界面副反应的核心难题。其99.7%的库伦效率、-20°C超长循环稳定性及120°C工作温域，为极端环境储能器件和柔性电子提供了可靠技术路径，推动AZIBs迈向实际应用。

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来源：科学减脂