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文 章 信 息
双软胶体电极平台为水系电池长期稳定循环提供新路径
第一作者：张凯强
通讯作者：张凯强*
单位：南京工业大学-能源科学与工程学院
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研 究 背 景
电极材料的设计方式在很大程度上决定了电池体系的寿命与稳定性。传统电池电极主要局限于固态和液态两种形态：固态电极在反复充放电过程中不可避免地积累晶格缺陷，导致结构不可逆损坏；而液态电极虽然理论上具备更好的结构可逆性，却普遍面临活性物种无序迁移和交叉污染等问题，严重制约其实际部署。
近年来，水系电池因其安全性高、成本低和环境友好等优势受到广泛关注，但其电极设计仍未摆脱上述固态或液态范式的内在限制。因此，发展一种兼具结构稳定性、电化学可逆性和体系可控性的全新电极构建思路，成为水系电池领域亟需解决的关键问题。
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文 章 简 介
近日，南京工业大学张凯强，叶季蕾，吴宇平团队在国际知名期刊Small上发表研究论文，提出了一种面向未来的稳定水系电池的双软胶体电极（dual soft-gel electrode）电池构建平台，为后续对于该理念的广泛研究提供了范式。
该工作基于“水分子竞争效应”这一核心物理化学机制，利用硫酸根离子与水分子之间的强相互作用，以及水溶性聚合物与水分子之间的弱相互作用，在电极内部诱导形成稳定的软胶体相。通过这一方式，研究团队成功在同一电池体系中同时构建了阳极和阴极软胶体电极，实现了结构稳定、物种受限迁移且高度可扩展的水系电池体系新框架。
研究表明，该双软胶体电极电池构建平台不仅适用于多种氧化还原活性物质和水溶性聚合物组合，还展现出良好的循环稳定性、自放电抑制能力以及绿色可回收潜力，为水系电池的长期稳定运行提供了一种通用构建思路。
图1. 双软胶体电极水系电池的构建原理示意图。硫酸根离子在电解液中强烈结合水分子，而水溶性聚合物与水的相互作用较弱，从而诱导电极内部发生相分离，形成稳定的软胶体相并固定氧化还原活性物质。
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本 文 要 点
要点一：水分子竞争效应驱动的软胶体相构建机制
该工作提出并系统验证了一种基于“水分子竞争效应”的电极构建机制。硫酸根离子对水分子的强亲和力使其在电解液中优先结合水分子，从而将与水相互作用较弱的水溶性聚合物及其包裹的氧化还原活性物质排斥出水相，形成稳定的软胶体相。这一机制为软凝胶电极的形成和稳定存在提供了物理化学基础。
要点二：双软胶体电极实现电池层面的结构匹配
不同于以往仅在单一电极侧引入软胶体结构的研究，该工作进一步将软胶体概念同时拓展至阳极与阴极，构建了真正意义上的双软胶体电极水系电池。这种设计有效缓解了传统电池中正负极在结构演化和寿命上的不匹配问题，为实现器件层面的长期稳定循环提供了新思路。
要点三：广泛的材料适用性与可扩展性
研究团队系统考察了多种氧化还原活性物质（如蒽醌类、TEMPO、铁氰化物等）与不同水溶性聚合物（PVP、PEG、F127等）的组合情况，验证了该电池构建平台在不同材料体系下的普适性。此外，软凝胶电极可直接附着于金属集流体，具备良好的尺度放大潜力，适用于纽扣电池、软包电池等多种电池构型。
要点四：绿色可回收与可持续优势
得益于体系中大量采用水溶性或水不溶性可分离组分，该双软胶体电极电池在报废后可通过简单水浴实现部分组件的回收与再利用，无需使用有机溶剂。这一特性显著提升了水系电池在可持续性和环境友好性方面的潜在优势。
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文 章 链 接
A Dual Soft-Gel Phase Platform for Future Stable Aqueous Batteries Small (2025)
https://doi.org/10.1002/smll.202510410
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通 讯 作 者 简 介
张凯强，南京工业大学，能源科学与工程学院副教授，软胶体电极电池发明人。长期从事水系电池、电极材料与软胶体电极电池体系研究。近年来围绕“水分子竞争效应”和“软胶体电极”提出多项原创性电池设计理念，并在Journal of the American Chemical Society, Advanced Energy Materials, Advanced Materials, Small、Small Methods等期刊发表系列研究成果，截止到目前发表SCI论文100余篇。
从最基本认识出发，固态和液态电极材料固有属性的差异本质上代表了两个极端的物理状态(固态和液态)。在自然科学研究中，通常旨在整合材料的优点并规避其缺点，呈现出一种拉扯平衡的趋势。这种现象与中国哲学中《易经》的“一阴一阳之谓道”的核心思想极为相似，认识大自然的基本规律往往能够从哲学中获得启发。因此，在认识大自然的过程中，文理兼备、左右平衡、长短适中的思想理念是与自然互动的一种方式。我们团队通过中国传统哲学《易经》的启发，作为软胶体电极电池发明人，结合固态和液态的优点并规避各自的缺点，将其应用于超稳定的水系电池。正所谓：没有结构便不会破坏结构，无相即万相。
目前团队开发了具有商业应用潜力的双软胶体电极电池器件。
联系方式(如您对我们的技术感兴趣，期待和您的合作及技术推广和落地)
E-mail：kaiqiangzhang@njtech.edu.cn，kaiqiangzhang126@126.com
Phone: +86)187-0110-0647
WeChat: zhangkaiqiang-me
适用场景：面向大规模静态储能应用。作为储能电池堆和清洁能源发电系统整合，可构建离网状态下的电能自给。亦可作为临时存储来削峰填谷。
优点：
该技术采用水系电解液，保障了安全不起火爆炸。
电池工作电压被严格限制在水分子的耐受电压范围内，没有析氢析氧等副反应，防止电池产生气体，造成鼓包。
电池循环寿命稳定。
成本低廉，没有使用昂贵的材料，如钴。
电池生产工艺兼容性高，无需特殊气氛等条件。
电池主要部件(集流体，碳粉等)都可通过水浴实现回收再利用。
缺点：
能量密度无法和目前的锂离子电池比拟，批量部署后电池堆的体积比同等电能下的锂离子电池堆要大。
电池的快充(大电流密度下工作)能力有限。
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课 题 组 介 绍
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