邱健蓄电池采用聚阴离子水凝胶电解质同步调控锌(002)取向与抑制燃料费析出以构建安全锌离子电池

水系锌离子电池（AZIBs）因其卓越的安全性能和经济可行性，在大规模电网储能系统中展现出显著应用前景。然而，锌枝晶生长、寄生副反应和析氢等问题严重阻碍了其商业化进程。本研究开发了一种新型水凝胶电解质（AMSD₂₀) 通过将丙烯酰胺(AM)与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸锌(AMPS-Zn)的共聚物网络整合到聚乙烯醇(PVA)基体中合成。AMPS-Zn中的磺酸官能团可有效调控锌²⁺沉积过程，促进(002)晶面的优先结晶，从而使对称电池的循环寿命显著延长至2480小时以上。此外，三维水凝胶网络结构能有效抑制锰²⁺从正极溶出，实现MnO₂经过500次循环后，满充电池仍能保持78.6%的容量。得益于水凝胶网络强大的水分固定能力，该电池不仅在宽温域（-20°C至65°C）表现出卓越的循环稳定性，还实现了显著抑制的析氢现象（25°C下100次循环后析氢率为0.11%，65°C满充电池中为0.37%），从而进一步提升水系锌离子电池（AZIBs）的运行安全性。本研究提出了一种创新的电解质设计策略，旨在推动高安全性与长寿命AZIBs的发展。

图形摘要

AMSD通过AM/AMPS-Zn在PVA中共聚合成的水凝胶电解质，实现了(002)晶面取向的锌沉积（>2480小时），抑制了锰溶解（500次循环后容量保持率达78.6%），并可在−20°C至65°C温度范围内工作。其氢键框架结构将氢析出率抑制至0.11%（25°C）和0.37%（65°C），低于ZnSO（0.52%和3.42%），从而实现了耐用、安全且长寿命的AZIBs。₂₀²⁺₂₄

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引言

水系锌离子电池（AZIBs）因其更高的安全性和环境可持续性而受到广泛关注[1], [2], [3], [4], [5]。与传统有机电解质电池不同，AZIBs采用水作为电解质溶剂，从根本上降低了易燃性和爆炸风险。其理论比容量高达820 mAh g⁻¹，且氧化还原电位低至−0.76 V（相对于标准氢电极），锌金属负极展现出优异的电化学性能。相较于SHE且具有丰富天然储量的锌金属阳极，被认为是AZIBs[6][7]最理想的负极材料。然而，该体系仍面临若干关键挑战[8]-[11]：（1）锌阳极的枝晶生长、腐蚀及钝化现象会损害循环稳定性并增加短路风险；（2）水系电解质表现出显著的温度依赖性，低温下离子电导率下降而高温下副反应加剧；（3）运行过程中的析氢反应可能导致电池膨胀，当氢气积累达到爆炸浓度范围（4-75 vol%）时将引发重大安全隐患。因此，开发具有宽温域适用性和高效氢管理能力的AZIBs对其实际应用至关重要。 vs SHE, and plentiful natural supply, the zinc metal anode is thought to be the best anode material for AZIBs [6], [7]. Nonetheless, this system still encounters several critical challenges [8], [9], [10], [11]: (1) dendritic growth, corrosion, and passivation phenomena on the zinc anode compromise cycling stability and increase short-circuit potential; (2) the aqueous electrolyte exhibits pronounced temperature dependence, with ionic conductivity diminishing at low temperatures and side reactions intensifying at elevated temperatures; (3) hydrogen evolution during operation can lead to battery swelling, and hydrogen accumulation reaching explosive concentrations (4–75 vol%) presents significant safety concerns. Consequently, the development of AZIBs with broad temperature operability and effective hydrogen management is essential to facilitate their practical deployment.
与传统液态电解质相比，水凝胶电解质利用其独特的准固态特性，可有效固定液态电解质，并通过官能团修饰和聚合物骨架调控实现精确的界面工程[12][13]。应用于锌离子电池的水凝胶电解质通常形成均质网络结构，确保电解质在正负极界面均匀分布[14]。目前，聚丙烯酰胺、纤维素、明胶和海藻酸钠等多种水凝胶材料已被用作电解质基体[15][16][17][18][19][20]。其离子传导机制主要依赖于聚合物骨架中的极性官能团，如羧基、酰胺基和羟基[21]。值得注意的是，这种致密均一的聚合物网络能增强与锌负极的界面粘附力，促进锌²⁺沉积并抑制枝晶形成[22]。研究表明，锌(002)晶面具有较低表面能和较弱电化学活性，可有效抑制副反应并延长电池寿命[23]-[26]。然而，关于水凝胶电解质体系精确调控锌(002)取向沉积的能力，现有文献仍缺乏系统性研究。此外，尽管大量研究表明水凝胶电解质能抑制析氢反应，但对电池内部氢气生成的定量分析普遍不足，特别是在高温条件下——此时析氢反应动力学显著加速。
在本研究中，通过将丙烯酰胺（AM）与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸锌（AMPS-Zn）在聚乙烯醇（PVA）基质中进行聚合，随后浸渍电解液，制备了AMSD水凝胶电解质体系。AMPS-Zn中的磺酸官能团有效调控了锌₂₀综上所述，通过在PVA基质中将AM与AMPS-Zn聚合，随后浸渍电解液溶液，成功制备了AMSD水凝胶电解质。该电解质体系展现出多重优势：首先，AMPS-Zn中的磺酸基团有效调控了锌²⁺沉积行为促进了(002)晶面的择优结晶，从而显著抑制枝晶形成并将稳定电化学循环寿命延长至2480小时以上。同时，水凝胶基质作为物理屏障，有效减少MnO²⁺正极的锰溶出，使500次循环后容量保持率提升至78.6%。该AMSD₂水凝胶电解质表现出广泛的热稳定性，在-20°C至65°C温度范围内保持稳定的电化学性能。值得注意的是，AMSD₂₀水凝胶电解质通过强氢键固定水分子，显著降低电化学活性，使氢气析出率在25℃时仅为0.11%、65℃时为0.37%，远低于传统ZnSO₂₀电解质中的析出水平。这一特性有效缓解了氢气积聚引发的安全隐患。上述协同效应使AMSD₄水凝胶电解质具备卓越的安全性、循环耐久性和环境适应性，从而推动锌离子电池技术的实际应用。₂₀ hydrogel electrolyte with superior safety, cycle durability, and environmental resilience, thereby advancing the practical deployment of zinc-ion battery technology.