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  水系鋅離子電池由于其環保、安全、低成本的優點，是有前途的下一代儲能設備。盡管優勢突出，但水系鋅離子電池的實際應用仍然受限于鋅負極的不穩定性。在循環過程中，鋅負極和水溶液電解質之間會由于鋅的沉積和溶解不均勻形成不可避免的枝晶。同時，電極不規則的表面和高電流密度等因素也會進一步加劇枝晶生長。因此，鋅枝晶會從負極表面延伸至隔膜，從而可能刺穿隔膜導致短路和電池故障。此外，鋅負極與水溶液電解質之間發生的副反應還會腐蝕負極表面、消耗活性鋅金屬。

  近日，福州大學呂曉林副教授在《Advanced Materials》上發表文章《A Robust and Tough Composite Hydrogel Electrolyte with Anion-Locked Supramolecular Network for Zinc Ion Batteries》，報道了一種具有3D超分子網絡的復合水凝膠電解質（CHE），能夠通過芳綸納米纖維（ANF）、聚乙烯醇（PVA）和陰離子之間豐富的氫鍵相互作用來鎖定陰離子和活性水分子，從而促進界面調節、抑制副反應。該網絡協同增強了機械性能、離子電導率和Zn²⁺遷移數（圖1）。同時，其高模量和抗穿刺能力還可以有效抑制枝晶的形成。該工作為設計用于鋅離子電池的高性能水凝膠電解質提供了新的思路。

圖1. 水凝膠電解質的制備過程和性能對比

  如圖2和3所示，相比于PVA水凝膠電解質（PHE）和液態電解質（LE），CHE具有更高的力學性能和更優異的離子傳輸特性，可以有效拓寬鋅離子電池的電化學窗口、抑制枝晶生長、減少副產物的形成。

圖2. 水凝膠電解質的力學性能和電學性質

圖3. 水凝膠電解質增強負極的電化學性能

  以上結果表明，CHE優異的力學和電學性質可以協同增強Zn負極的穩定性。如圖4所示，Zn||CHE||Zn對稱電池在1 mA cm^?2/1 mAh cm^?2和5 mA cm^?2/5 mAh cm^?2下的循環壽命分別可以超過2800 h和1500 h。CHE在600圈時的平均庫倫效率達到99.1%。在1 A g^?1下，組裝的Zn||PANI全電池在經過9100次循環后，其容量保持率仍高達78%。

圖4. 水凝膠電解質增強鋅負極的穩定性

圖5. Zn||PANI全電池循環性能

  福州大學材料科學與工程學院2022級碩士生杜澤杭為論文第一作者，2022級碩士生沈勝濤為共同第一作者，福州大學呂曉林副教授和吳明懋副教授為論文的通訊作者。論文得到了鄒志剛院士的指導和幫助。該研究得到國家自然科學基金項目、福建省光電信息科技創新實驗室、福建省自然科學基金項目、國家重點研發計劃等基金項目的資助。

  論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202502328