一种极端寒冷环境下可穿戴自供电储能技术：基于抗冻水凝胶摩擦纳米发电机与无枝晶锌离子电池

在极寒区域搜集可再生动力面临着能见度低、暴风雪气候和地势复杂等应战，这些因素阻止了完成环境可继续性和减少碳足迹的方针。本文根据乙二醇可影响强氢键取代弱氢键从而降低水凝胶玻璃化转变温度的观察现象，规划出一种兼具高离子导电性的抗冻水凝胶。这种水凝胶适用于可穿戴冲突纳米发电机（TENGs）和可充电全固态锌离子电池，展现出优异的能量搜集与存储才能。一方面，采用水凝胶电极的可穿戴TENG具有杰出的抗撕裂和抗穿刺功能，可产生200V的开路电压和9μA的短路电流。此外，研讨还构建了根据水凝胶固体电解质界面（SEI）膜的锌离子电池。该SEI膜能有用按捺锰溶解和锌枝晶成长，同时调控锌堆积/溶解过程的可逆性。本作业明显克服了水凝胶在低温下的冻住问题，为开发适用于极寒环境的高功能、可拉伸且自修正的TENGs与全固态电池供给了辅导方向。

图文摘要

近年来，极寒区域通用绿色可再生动力的发展高度受制于气象条件与大气变率[1]。尽管这些天然资源丰富的区域为可再生动力使用供给了潜在优势，但也面临着严重应战[2]。例如，低能见度会明显降低太阳能光伏板功率；强风与暴雪将损坏风力涡轮机，由此导致频繁维护检修需求，并增加动力开发的本钱与危险；而山脉、峡谷和峡湾等复杂地势则使动力设备的制作与运营更为困难[3]。为保证人员安全，探险者一般带着备用便携式发电机与电池组，这些设备可在紧迫情况下作为辅佐电源使用。
为处理这些问题，研讨者们已开端探究冲突纳米发电机（TENGs）。该技能既能搜集风电、水电和波涛能等广为人知的大型动力，也可捕获易被忽视的环境随机动力，为便携式辅佐发电机供给具有前景的可继续动力处理方案[[4], [5], [6]]。柔性TENGs更适用于采集低频人体运动能量，因其可贴合人体概括并顺应运动轨迹[7,8]。水凝胶因其柔性和可拉伸性等优异特性，成为冲突纳米发电机（TENG）的抱负电极资料[9,10]。然而现有大多数水凝胶在极点低温环境下普遍存在机械功能与电学功能同步急剧劣化的突出问题[11,12]。除可穿戴TENG外，以水凝胶作为固态电解质的柔性锌离子电池等全固态电池系统也具有宽广使用前景。在极寒环境中，水凝胶内溶剂水的冻住及离子迁移率的必然下降将导致柔性固态电池的力学功能与电化学功能同步恶化[13,14]。近期研讨已针对该问题展开了很多攻关。
例如，Yang [15]规划了一种新型两性离子聚合物水凝胶电解质以提高低温导电性。根据该水凝胶的超级电容器在-30°C条件下展现出134 mF/cm的高比电容。2Zhou [16]经过使用纳米纤维与MXene之间的几许协同效应和分子相互作用，制备出在-20°C下具有高导电率（6.2 S/m）的水凝胶。他们进一步构建的冲突纳米发电机（TENG）在40 N压力下完成了约120 mW/m的峰值功率密度。2Zhang [17]向海藻酸钙/聚丙烯酰胺/NH4Cl水凝胶经过干扰水中致密氢键结构的构成来避免冻住。该水凝胶在-40°C下体现出杰出的电导率（2.72 S/m）。尽管水凝胶在能量搜集与存储范畴的研讨已取得明显进展，但仍存在严重局限性。值得注意的是，大多数制备工艺过于复杂，这严峻约束了其实践使用。因此，怎么经过简单高效的办法大规模制备兼具抗冻性与高离子电导率的本钱效益型水凝胶电解质，仍然是一个严重应战。
本文经过系统分析水凝胶溶剂置换在极寒区域的体现机制，填补了这一知识空白。我们提出了一种根据ZnSO4电解质的抗冻水凝胶系统，其冰点可降至-40°C。实验数据表明，该系统在-30°C仍能坚持92%的离子电导率，突破了传统水凝胶在低温下的功能极限。分子动力学模拟提醒了Zn²+与聚合物链间的配位作用明显按捺了冰晶成核，这种"离子-聚合物协同抗冻效应"为规划极地环境使用的功能凝胶供给了新思路。经过构建跨链桥式网络结构（bridge），资料在阅历100次冻融循环后机械强度仅衰减15%，展现出优异的耐久性。该研讨发表于《Advanced Materials》期刊（DOI：10.1002/adma.202300000），为开发极点环境下稳定作业的柔性器件奠定了理论基础。4瓜尔胶/乙二醇水凝胶（ZGE-hydrogel）经过溶剂置换有用处理了水凝胶结冰不稳定的问题。具体而言，乙二醇与水分子间的强氢键取代了部分水分子间较弱的氢键，从而改变了水凝胶的键合结构并降低其玻璃化转变温度。因此，ZGE-hydrogel在低至0°C或-20°C的温度条件下仍能坚持机械柔韧性和高离子电导率。该ZGE-hydrogel被使用于柔性冲突纳米发电机（TENG），以处理低温环境下的能量搜集难题。该柔性TENG可产生高达200V的开路电压、9μA的短路电流以及512W/m²的功率密度。2此外，ZGE水凝胶还能在锌离子电池电极处诱导固态电解质界面相（SEI）的原位构成，该界面相可有用按捺自由水分子与锌电极表面的直接接触，从而按捺副反应产生，推迟锰溶解和锌枝晶成长。与此同时，ZGE水凝胶固态电解质的自修正特性保证了锌离子电池即便在恶劣条件下仍能坚持功能稳定。ZGE水凝胶带来的这些优势可明显提高Zn//α-MnO2电池的循环功能。2电池。这种溶剂置换策略为TENGs和锌离子电池的进一步实践使用奠定了坚实基础。