近期，中国科学院合肥物质院固体所能源材料与器件制造研究部胡林华研究员团队在水系锌离子电池凝胶电解质研究方面取得新进展。科研人员构建了一种高电导率和强保湿性的水凝胶电解质，有效打断了水分子团簇，增强了水的共价性，从而扩大了电化学稳定窗口，使电池能在宽温区运行工作。相关成果发表在国际期刊Advanced Energy Materials 上。

不可逆的电解质相变和加速的寄生反应会极大损害水系锌离子电池的气候适应性。水分子的活性是影响电解质凝固点、电化学稳定窗口和锌沉积行为的关键因素，因此，改善水的活性是提升水系电池温度适应性的关键。与传统的液态电解质相比，水凝胶电解质具有防渗漏、结构稳定和可调节的机械柔韧性等优势，通过合理的结构设计，可以有效抑制水的活性。然而，目前报道的电池在极端环境条件下的充放电性能普遍不理想，尤其是在季节和维度变化较大的情况下，这限制了水系锌基电池的广泛应用。此外，水分子的配位环境、锌离子的溶剂化结构以及锌与电解质界面的耐温机制也有待深入研究。

鉴于此，固体所研究人员构建了一种 "共价增强型 "水凝胶电解质，它具有优异的界面粘附性和强大的保湿能力。通过有效调节水环境和锌离子的溶剂化结构，这种电解质实现了冰点的降低、蒸发特性的改善以及界面副反应活性的降低，从而在各种气候条件下实现了电解质的稳定运行。理论模拟分析证实了电解质机械性能的改善和锌界面的热力学稳定性。这些都有利于抵御枝晶并解决电极与电解液之间的接触不良问题，使得电池具有-40~130 ˚C的宽温工作范围，在-40~70 ˚C内也能稳定运行。

该研究提出一种高电导率和强保湿性的水凝胶电解质，利用相关离子物种对水分子的锚定和锌离子溶剂化层的调节，有效打断水分子团簇，提升了水的共价性和稳定性，从而拓宽电化学窗口并能在宽温区稳定工作，为极端环境下电池的运行提供了新思路。

论文第一作者为固体所博士研究生王忆凡，通讯作者为李兆乾副研究员、胡林华研究员和中南大学周江教授。该工作得到了合肥物质院院长基金的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202402041?af=R

图1. a) 电解质结构的设计和构造示意图；b) Glu/ZC/PAM（左侧）和纯 ZC（右侧）中的锌沉积行为示意图。

图2.a) 各种电解质的傅立叶变换红外光谱；b) 电解质在O-H伸缩振动区域的拟合拉曼光谱；c) 电解质中强H键和非H键的比例；d) 不同分子与水分子的结合能；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) 通过分子动力学模拟得出Zn²⁺-O₁ (Glu), Zn²⁺-O₂ (ClO₄^-) and Zn²⁺-O₃ (H₂O)的径向分布函数。