湖北大学、台州学院，Small：柔性锌基可充电电池聚合物水凝胶电解质的先进设计策略和工程：全方位的洞察

第一作者：范孟文

通讯作者：王浩教授、万厚钊教授、吕琳副教授、薛双喜副教授

单位：湖北大学微电子学院、台州学院材料科学与工程学院

水系锌基可充电电池由于其极低的阳极氧化还原电位（−0.763 V vs SHE）、锌的超高理论容量（820 mA·h·g⁻¹）、低成本和卓越的安全性而成为智能储能解决方案的理想候选者。然而，它们与柔性电子设备的集成需要开发兼具灵活性和稳定性的电解质。聚合物水凝胶具有类似液体的离子转移和类似固体机械坚固性的独特特性，以及可调的物理化学性质，可以赋予锌基电池非凡的功能特性，并为与其他柔性电子设备集成提供了一个有前途的可选解决方案。本文综述了水凝胶电解质在几何构型、末端基团修饰和分子间相互作用等方面的最新研究进展。这些策略在增强离子电导率，保液性，机械性能和对极端环境的适应性方面进行了仔细的研究。这篇综述强调了这些创新研究如何使锌基电池变得超薄、可弯曲、可扭曲、可拉伸和自修复，使它们成为与柔性电子产品集成的理想平台。通过克服这些障碍，水凝胶电解质可以为柔性储能技术的进步做出重大贡献，为其在下一代电子设备中的广泛应用铺平道路。

近日，来自湖北大学的王浩教授、万厚钊教授、吕琳副教授与台州大学的薛双喜副教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Emerging Advanced Design Strategies and Engineering toward Polymer-Hydrogel Electrolytes for Flexible Zinc-Based Rechargeable Batteries: A Review From an All-Around Insight”的观点文章。该观点文章全面分析了柔性锌基电池中聚合物水凝胶电解质相关的主要挑战，详细介绍了包括网络修饰工程，功能化工程等在内的解决方案，并提供了构建全方位水凝胶电解质的新视角。

在柔性锌基电池中，嵌入在水凝胶电解质中的离子充当阴极和阳极之间电荷转移的管道。因此，离子电导率的提高不仅加快了电荷转移的速度，而且提高了电荷转移的效率，从而提高了这些电池的整体性能。提升柔性锌基电池聚合物水凝胶电解质离子电导率的策略包括功能添加剂的整合，定向离子通道的设计，以及仿生工程原理的应用，所有这些都是为了开拓具有优异离子导电性的水凝胶电解质的新发展途径。

离子电导率的提高取决于在保持稳定溶剂化环境的同时建立有效的离子传输途径。在这种情况下，液体保持能力作为维持溶剂化环境的关键因素，在柔性装置的操作条件下具有越来越重要的意义。水分的流失不仅会破坏连续的离子传输网络，还会引发严重的后果，如电解质脱水失效、界面接触阻抗显著增加，甚至完全丧失设备功能。增强水凝胶保液性的先进策略和创新工程主要涉及与水分子构建氢键网络和交联密度的控制等。

离子电导率和液体潴留分别从“离子传输动力学”和“液相环境稳定性”两个维度支持电池的有效运行。机械性能是材料内在特性与其在设备中的工程应用之间的关键联系，在柔性电池的动态操作条件下，其重要性尤为突出，直接决定了设备的结构完整性和功能可靠性。目前，提升水凝胶电解质机械性能主要包括构建双网络结构、溶剂分子相互作用、可逆键的引入和定向诱导策略等。

水凝胶电解质在性能优化过程中经常遇到多重挑战，其增强策略经常难以同时满足所有功能要求。虽然一些组合策略可以协同增强多个关键属性，但其他策略可能会意外地破坏某些基本属性。增加内部孔隙度可以显著提高离子电导率，但不可避免地以牺牲结构完整性为代价。虽然宏观孔隙通过拓宽离子传输通道来提高电导率，但显著削弱了机械强度，增加了结构变形甚至破裂的风险。相反，纳米尺度孔隙形成致密的网络，增强了机械性能，但由于阻碍离子迁移而抑制了电导率。单交联密度控制通常会导致孔径分布范围不合适，这使得同时实现高离子电导率和强机械性能具有挑战性。在这种背景下，双交联策略作为平衡这两个核心属性的有效方法出现了。该策略通过构建互补的双网络结构，实现了从纳米级到微米级的广谱孔径分布，从而形成具有分层孔隙特征的水凝胶，协同优化离子传导和机械承载能力。然而，双交联策略对增强水凝胶在极端条件下的热力学稳定性和适应性影响有限，因此，迫切需要整合其他协同策略来构建综合性能更优的水凝胶体系。

Emerging Advanced Design Strategies and Engineering toward Polymer-Hydrogel Electrolytes for Flexible Zinc-Based Rechargeable Batteries: A Review From an All-Around Insight

王浩教授简介：1994年获得华中科技大学博士学位，2010年任剑桥大学高级研究员。长期从事储集成电路与新能源新材料领域，主持国家级科研项目10项，获授权国际发明专利3项、国内发明专利47项。在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Research、Nano-Micro Lett.、IEEE EDL、ACS Nano、Nano Energy等期刊发表论文200余篇，其中热点/高被引论文7篇、中国领军（重点）期刊论文12篇、IF>10论文20篇，被引用4500余次。立德树人成效明显，培养的学生多人次入选国家级人才项目。

万厚钊教授简介：获斯坦福大学公布的全球前2%顶尖科学家2020与2022榜单，主要从事新型电化学器件集成研究，主持国家科技重大专项子课题、国家自然科学基金面上与青年基金、湖北省技术创新重大专项（200万元）。以第一/通讯作者在Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Micro lett.等SCI期刊发表论文60余篇，被引用5000余次，H因子39。申请国际/国家发明专利32项，其中授权18项。

吕琳副教授简介：主持湖北省重大科技专项子课题、湖北省自然科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目等项目。主要研究方向为能源存储器件（锂、锌基电池/固态电池等）和信息存储器件（FLASH、忆阻器等）。以第一作者/通讯作者在 Advanced Energy Materials、ACS Nano、Nano Energy、Applied Catalysis B：Environmental等期刊发表SCI论文20余篇。申请国家发明专利5项。