提出全天候锌离子电池的新策略

在《先进能源材料》上发表的一项研究中，研究人员利用ClO4-阴离子和聚丙烯酰胺链来锚定水分子，而葡萄糖分子优先调节Zn2+溶剂化，构建了一种水凝胶电解质配方。

实现了有效阻断水团簇和增强水的共价性，从而扩大了电压稳定窗口并实现了在宽温度范围内的稳定运行。

“这意味着水系锌电池可以在考虑季节和海拔因素的情况下稳定运行。重要的是，我们系统地分析了水环境中的耐温机制、Zn2+溶剂化和锌/电解质界面，”团队成员李兆乾说。该研究小组由中国科学院合肥物质科学研究院胡林华教授领导。

不可逆的电解质相变和加速的寄生反应极大地威胁了水系锌离子电池的气候适应性。水的活性影响电解质的凝固点、电压稳定窗口和界面锌沉积行为。由于其防漏性、聚合物结构稳定性和自由水的大量锚定位点，水凝胶电解质的合理设计有效地提高了电池的气候适应性。

本研究构建了一种具有优越界面黏附力和强保湿能力的“共价增强”水凝胶电解质，通过光谱分析和理论计算，揭示了通过减弱本体水活性、调控Zn2+溶剂化，延缓了电解质的凝固点、提高了电解质的保湿能力、抑制了水诱导的副反应。

COMSOL模拟和形态演变表明电解质的机械性能得到改善，并且Zn界面具有热力学稳定性。这些优点可抑制枝晶形成并解决电极-电解质接触问题，从而使电池具有-40~130°C的宽工作范围。

“当电解质用于袋装电池时，它在-30°C时显示出令人印象深刻的254mAh/g容量，在室温下则为438.1mAh/g。这是一件大事，因为大多数以前的电池在-30°C时容量不超过200mAh/g，在室温下容量不超过400mAh/g。这项工作表明这些电池的效率很高，无论是在容量方面，还是在很宽的温度范围内工作的能力方面，”李博士说。

他们还组装了Zn//Zn和Zn//Cu电池，以评估稳定的使用寿命和锌电镀/剥离可逆性。在低电流密度下，锌阳极的使用寿命超过2,000小时，优于液体电解质。即使在高电流密度下，采用Glu/ZC/PAM的电池也可以稳定工作超过500小时。

Zn//Cu电池可稳定工作800小时以上，平均库仑效率高达99.2%，与之前的水凝胶电解质具有很强的竞争力。

本研究通过采用多功能水凝胶电解质来调节电解质/Zn界面的配位结构并调整热力学活性，从而降低有害的寄生反应并扩大工作温度范围。它为实现全天候水性锌离子装置提供了一种安全高效的策略。

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