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  水系鋅離子電池因其高安全性、低成本和環境友好性等顯著優勢，而被認為是下一代大規模儲能裝置的有力候選。然而，鋅負極易產生枝晶及副反應，影響其穩定性，阻礙鋅電池的廣泛應用。水凝膠電解質雖然被認為是高性能水系鋅離子電池的一種極具前景的選擇，卻很難平衡反應動力學與Zn²⁺的沉積穩定性。

  近期，武漢大學陳朝吉教授、四川大學張偉副研究員及其團隊受到關節軟骨啟發，開發了一種由聚乙烯醇（PVA）、纖維素納米纖維（CNF）和氧化石墨烯（GO）組成的梯度網絡水凝膠電解質，用于水系鋅離子電池（圖1）。該水凝膠電解質具有獨特的梯度結構：在正極側為低網絡密度的PVA/CNF (PC)水凝膠層，憑借其豐富的通道和高含水量實現離子的快速傳輸；在負極側為高網絡密度的PVA/CNF/GO (PCG)水凝膠層，其中致密的網絡結構、豐富的極性基團作用可促進Zn²⁺通量均勻化，同時GO的極性含氧基團能有效提升Zn²⁺遷移數和離子電導率（圖2）。基于此電解質的鋅對稱電池在1 mA cm^–2電流密度下展現出優異的循環穩定性（超過2200小時）和高庫倫效率（99.72%）（圖3）。這些性能的提升得益于梯度網絡結構及優化的界面化學性質，可有效抑制鋅負極的枝晶生長和副反應（圖4）。此外，采用該電解質的Zn–MnO₂電池在遭受多種外部破壞時，仍表現出優異的電化學性能和安全特性。綜上所述，該工作為高性能水系鋅離子電池的開發提供了一種有效的仿生設計策略。

圖1. 軟骨啟發的梯度網絡水凝膠電解質設計與結構

圖2. 水凝膠電解質中Zn²⁺傳輸及沉積行為的理論模擬與表征

圖3. 鋅負極的長期循環穩定性

圖4. 水凝膠電解質中Zn²⁺沉積行為

圖5. Zn-MnO₂電池的電化學性能

  相關研究成果以“A Bioinspired Gradient Hydrogel Electrolyte Network with Optimized Interfacial Chemistry toward Robust Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發表在《ACS Nano》（10.1021/acsnano.5c06914）期刊上。該工作由武漢大學和四川大學合作完成，武漢大學和四川大學聯合培養博士研究生王群豪和武漢大學博士研究生黃京為論文共同第一作者，武漢大學陳朝吉教授和四川大學張偉副研究員為論文共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c06914