姚亚刚教授、洪果教授、李朝威教授， AM： 酸性水凝胶实现高能准固态锌锰电池全周期的Mn2+/MnO2转化

第一作者：庄武彬

通讯作者：姚亚刚*，洪果*，李朝威*

单位：南京大学，香港城市大学，安阳师范学院

水系锌锰电池因其安全性高、成本低而被认为是柔性与可穿戴储能的重要候选体系，但其能量密度长期受限于二氧化锰仅参与单电子反应，活性物质利用率偏低。理论上，Mn²⁺/MnO₂双电子转化可显著提升放电电压与比容量，是突破锌锰电池体系能量密度瓶颈的关键途径，然而该反应高度依赖稳定的强酸性环境，在传统液态酸性电解质中易引发电解液泄漏、界面失稳以及锌负极析氢等问题，严重制约其实际应用。尽管水凝胶电解质在安全性和形态稳定性方面具有优势，但现有体系普遍缺乏对质子浓度的持续调控能力，难以在整个充放电周期中维持Mn²⁺/MnO₂双电子转化反应的稳定运行。

近日，南京大学姚亚刚教授团队与香港城市大学洪果教授团队、安阳师范学院李朝威教授团队合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Acidic Hydrogel Enables Full-Period Mn²⁺/MnO₂ Conversion in High-Energy Quasi-Solid-State Zn-MnO₂ Batteries”的文章。该工作报道了一种新型酸性凝胶电解质策略，成功实现了全周期可逆的Mn²⁺/MnO₂双电子转化反应，显著提高了准固态锌锰电池的能量密度。该设计构建了一种由聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）与聚丙烯酰胺（PAM）组成的酸性水凝胶电解质，其含有丰富的磺酸基团作为质子库，在电池运行过程中维持稳定的酸性环境，同时促进阳离子的快速传输，为MnO₂正极的双电子转化反应提供了必要条件。与此同时，研究团队采用聚合物包覆策略构筑了聚合物保护的锌负极（P-Zn），有效抑制了酸性环境下锌负极的析氢副反应，显著提升了负极的界面稳定性。

研究团队构建了一种由聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）与聚丙烯酰胺（PAM）组成的酸性水凝胶电解质，作为质子库其含有丰富的磺酸基团，在电池运行过程中维持稳定的酸性环境，同时促进阳离子的快速传输，拥有高离子电导率与离子迁移数，为MnO₂正极的双电子转化反应提供了必要条件。

准原位xps测试发现循环过程O—Mn—O键强度先增强后减弱，对应于MnO₂的沉积与溶解，证明了Mn²⁺/MnO₂的可逆转化。准原位Raman观察到酸性水凝胶的氢键强度先增强后减弱，归因于循环过程中氢离子浓度先升高后降低，证实了酸性水凝胶对酸性环境的调控作用。

PAMPS/PAM酸性水凝胶与聚合物包覆锌负极（P-Zn）构建的电池表现出优异的析氢抑制效果以及稳定性，准固态锌锰电池的CV曲线显示了Mn²⁺/MnO₂双电子转化的稳定运行，在10 A g^-1的高电流密度下，电池可提供592.9 mAh g^-1的比容量，放电电压高达1.9 V，并可维持1000次循环的优异循环稳定性。

该体系展现出了优异的倍率性能、高能量密度（762.6 Wh kg^-1）、极高功率密度（13821.8 W kg^-1），并成功展示了纤维状水系锌离子电池在驱动便携式和可穿戴电子器件方面的实际可行性。通过凝胶电解质设计，该研究为开发高能准固态锌锰电池提供了新范式，为下一代柔性与可穿戴储能器件提供一条可行途径。

Acidic Hydrogel Enables Full-Period Mn²⁺/MnO₂ Conversion in High-Energy Quasi-Solid-State Zn-MnO₂Batteries. Advanced Materials (2026): e22827.

姚亚刚，南京大学教授，教育部长江学者，国家优青，海外高层次青年人才。一直从事低维材料的控制合成及其在柔性储能器件和热管理中的应用研究。已在 Nature Mater.、Nature Nanotechnol.、JACS、Adv. Mater.、Nano. Lett.等杂志发表SCI论文260余篇，论文被他人引用26000余次，H 因子75。曾主持科技部重点研发计划项目及课题、基金委海外合作和面上项目等。曾获得全国百篇优秀博士学位论文、江苏省双创人才、江苏省优秀博士和硕士论文指导老师。

洪果，香港城市大学副教授，长期从事清洁能源材料与新型储能器件研究。2011年在中国北京大学获得博士学位。2011年至2013年在香港城市大学从事博士后研究，2013年至2016年在瑞士联邦理工学院(ETHZ)从事博士后研究。他于2016年加入中国BTR新材料集团公司，担任中心研究所副所长。2017年至2023年在澳门特别行政区澳门大学任助理教授。2023年起加入香港城市大学材料科学与工程系任副教授。

李朝威，安阳师范学院副教授，2019博士毕业于中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，随即加入安阳师范学院化学化工学院，从事教学和科研工作。长期从事储能材料的研究和开发。以第一作者或通讯作者身份在Adv. Mater., Adv, Energy Mater., Adv Funct, Mater., Energy Storage Mater., Mater. Sci. Eng. RRep., ACS Energy Lett., Nano Lett.,等国内外知名期刊杂志上发表论文30余篇，H因子36。