中国科学院固体物理研究所李兆乾&胡林华Angew. Chem. Int. Ed：“亲锌增溶”策略提升准固态锌离子电池性能

水系锌离子电池因电解液泄漏和腐蚀问题受限于实际应用，准固态电解质因其流变稳定性和高柔韧性被视为解决方案。但现有研究往往忽视成本和毒性，并且抗疲劳性有待改善。理想的锌盐应具备低成本、环保和高水溶性，醋酸锌（Zn(Ac)₂）虽然符合成本和生态需求，但溶解性差，导致参与电化学反应的锌离子不足，限制了电池容量和倍率性能。此外，高浓度的Ac⁻离子因为盐析效应会极化水分子，增强聚合物链的聚集和纠缠，提升力学性能。因此，提高醋酸锌溶解度并将其应用于准固态电解质，是解决电池机械耐久性和容量不足的关键。

近日，来自中国科学院固体物理研究所的李兆乾副研究员和胡林华研究员与河北工程大学张红教授，武汉理工大学张磊教授合作，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上发表题为“Boosting Performance of Quasi-solid-state Zinc Ion Batteries via Zincophilic Solubilization”的观点文章。该观点文章采用亲锌增溶策略，开发出具有高机械耐久性的醋酸锌凝胶电解质（USPH-X, X=3, 5, 7），并在电极/电解质界面处构建聚脲SEI膜层，赋予Zn//NH₄V₄O₁₀（NVO)软包电池280.7 mAh g⁻¹的容量，90.13%的容量保持率以及较高的柔韧性。

在传统的水系液态醋酸锌电解质中，醋酸根离子（Ac⁻）倾向于与Zn²⁺双齿螯合配位，暴露出疏水的-CH₃基团，从而限制了其与H₂O的进一步配位溶解。根据路易斯酸碱理论，亲锌增溶剂尿素上富电子的O原子侧能够吸引缺电子的Zn²⁺离子，同时氨基上H原子倾向与带负电的醋酸根阴离子上的O原子相互作用，从而重构Zn(Ac)₂的配体构型，释放出醋酸根的配位位点，使得高浓度Zn(Ac)₂凝胶电解质得以实现。大量的Ac⁻阴离子能够锚定更多活性水分子并挤出溶剂化的H₂O，从而抑制电极/电解质界面处的水活度和寄生反应。

根据“盐析”效应，将高浓度的Ac⁻离子注入聚合物基体中，会导致聚合物链段与聚合物链段之间的相互作用减弱，但水合能力增强。这会削弱聚合物链段与其水合壳之间的相互作用，极化周围的水分子，并诱导水合壳从聚合物链上脱离。因此，聚合物链之间的氢键得以增强，导致聚合物链段的紧密束合和纠缠增加。机械韧性和抗疲劳性能会显著提高。更密集的三维交联网络结构提供了更高的机械强度，并预防了枝晶刺穿电解质问题。

尿素分子从水凝胶电解质中扩散并吸附到电极表面。随后，吸附的尿素分子被还原并电聚合生成有机固体电解质界面（SEI）膜。聚脲SEI层通过形成N-Zn和O-Zn键起到粘结剂的作用，从而稳定电极界面并促进锌的均匀沉积。此外，由于其疏水性和抗氧化性，SEI膜可以有效抑制腐蚀和水分子分解过程，从而提高电极的性能和耐久性。

相对于USPH-3和USPH-7，USPH-5表现出最佳的离子电导率8.07 mS cm⁻¹。在2 mA cm⁻²和2 mAh cm⁻²下，采用USPH-3和USPH-5水凝胶电解质的锌阳极分别显示出98.61%和99.93%的高平均CE，显著高于纯Zn(Ac)2。在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²的条件下，USPH-5还赋予Zn//Zn对称电池超过600小时的稳定运行。所组装的Zn//NVO全电池在1 A g⁻¹的条件下展现出253.8 mAh g⁻¹的初始容量，并在1000个循环后保持了79.51%的容量。软包电池在500 mA g⁻¹下，具有280.7 mAh g⁻¹的高放电容量，并在200个循环后保持了90.13%的容量；且库仑效率保持稳定，没有显著波动，这表明锌均匀的沉积/剥离过程。经过100小时的自放电静置后，电池仍然具有328.2 mAh g⁻¹的高放电容量。即使弯曲至180°，软包电池仍保持较为稳定的电压。这些结果表明，在复杂条件下，基于水凝胶的Zn//NVO电池具有高安全性和可靠性，突显了其在便携式和可穿戴电子设备中应用的潜力。

李兆乾简介：现为中国科学院固体物理研所副研究员。2013年毕业于南京大学化学化工学院，获化学博士学位。2013-2016中科院合肥物质科学研究院博士后，2017年入选首批国家留学基金委“国际清洁能源拔类创新人才培养项目”，2017.09-2017.12瑞典麦拉达仑大学访问学者，2018.12-2020.05美国华盛顿大学材料科学与工程系曹国忠教授课题组博士后。主要从事水系锌离子电池电解液相关研究。近年来，在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Nano Lett, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater.等杂志发表SCI论文60余篇，其中4篇入选ESI高被引论文，1篇入选Hot paper热点论文。

张红简介：现为河北工程大学副教授。毕业于河北师范大学物理学院，获凝聚态物理专业博士学位。主要从事功能材料设计与结构性能预测的第一性原理研究。在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., ACS Nano, ACS Energy Letters等国内外期刊发表SCI论文20余篇。

张磊简介：武汉理工大学副教授。研究生期间师从国家杰出青年获得者、武汉理工大学副校长麦立强教授，并作为联合培养博士研究生到美国加州大学圣克鲁兹分校Yat Li教授课题组进行了为期1年半的学习和研究。主要从事新能源材料与纳米器件领域的基础研究，并已取得一系列原创性的研究成果。以第一作者或共同通讯作者在 Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊上发表SCI收录论文20篇，论文引用>3000次，H因子29，获授权国家专利发明10项，主持/参与国家及省部级项目12项。获海南省专利优秀奖。

胡林华简介：现为中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员，博士生导师。2014年在瑞士洛桑联邦理工学院进行工作访问。现任中国可再生能源学会光伏专委员会委员；中国硅酸盐学会薄膜与涂层分会理事和安徽省新能源协会理事；动力电池绿色制造安徽省重点实验室学委会委员。主要研究纳米结构材料及其在薄膜太阳电池和储能器件中的应用。主持国家重点研发计划和“863计划”项目2项，主持国家基金青年、面上及国际合作项目5项。曾参加国家“973项目”和安徽省重大项目等。近几年在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., ACS Energy. Letts., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等国际期刊发表论文100余篇；在国内外学术会议上作邀请报告20余次；获授权发明专利6项；参与出版专著2部。曾荣获中国可再生能源学会科学技术二等奖。

王忆凡简介：中国科学院合肥物质科学研究院博士研究生，导师为胡林华研究员。曾荣获中国科学技术大学硕士国家奖学金。近年来围绕水系锌离子电池开展水系及凝胶电解质的相关研究，以第一作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.（2篇）, Small Methods等国际期刊发表多篇SCI研究论文，其中一篇入选ESI高被引论文。