河南大学张一博/龚春红团队EnSM综述：凝胶电解质在高性能锌离子电池方面的最新研究和进展

便携式电子设备、电网级储能及电动汽车的快速发展，对兼具长循环寿命、本质安全性和成本效益的二次电池提出了迫切需求。水系锌离子电池常用的液体电解质存在锌枝晶生长、副反应频发等固有缺陷，而固态电解质则面临离子传导缓慢、界面接触性差等问题，难以满足高性能储能的实际需求。与传统电解质设计策略不同，凝胶电解质凭借其独特的交联网络结构，成为连接液体与固态电解质的“桥梁”，有效整合了两者的优势，为解决锌离子电池的核心瓶颈提供了可行路径。本综述系统梳理了凝胶电解质的分类体系，重点阐述了水凝胶和凝胶聚合物电解质的分子交联结构与电化学性能之间的内在关联。在此基础上，深入探讨了凝胶电解质在宽温域适应性、热可逆性、自修复能力及高离子电导率等多元应用场景中的关键作用。此外，本综述还前瞻性地引入机器学习在凝胶电解质加速筛选与优化设计中的新兴应用，为凝胶电解质的性能提升提供开创性设计思路。本综述旨在阐明开发宽温域、高安全、自修复且具有高离子电导率的凝胶电解质的设计途径，为下一代凝胶电解质的设计与发展提供理论指导。

凝胶电解质主要分为水凝胶电解质（HEs）和聚合物凝胶电解质（GPEs）两大类，二者在分子设计、离子传输机制及机械性能调控上呈现出互补优势，共同推动着凝胶电解质体系从单一功能向多功能协同的发展。在水凝胶电解质领域，研究主线聚焦于聚合物基体（以PVA和PAM为代表）的分子工程与交联策略优化：PVA基体系通过引入离子液体或构筑湿法退火-溶剂交换协同处理策略，精确调控疏水/结晶区比例，在保持高含水率的同时实现模量、韧性与离子电导率的协同提升，突破传统“强度-导电性”此消彼长的困境；PAM基体系则通过化学键合引入功能性单元（如共价有机框架）或共聚阳离子单体，有效抑制锌枝晶生长与析氢副反应，同时通过调控Zn2+溶剂化结构优化离子迁移动力学。

在凝胶聚合物电解质方面，生物基聚合物电解质（如壳聚糖、海藻酸钠）凭借丰富的官能团与Zn2+形成配位网络，在实现高离子电导率的同时显著提升Zn2+迁移数，通过协同螯合效应有效抑制副反应；功能型GPEs则通过共聚、共混及原位聚合等手段，将磺酸功能化共价有机框架等高比表面积功能单元引入聚合物基体构建高速离子传输通道，或通过离子竞争配位策略在锌阳极表面原位生成富氟固态电解质界面，实现从体相离子传输到界面稳定性的全面优化。从应用前景看，水凝胶电解质因结构简单、工艺兼容性高，在低容量柔性电子器件领域具备快速产业化潜力，但在循环寿命与能量密度方面存在局限；凝胶聚合物电解质则凭借更高的能量密度、更宽的工作温度范围和更优的安全特性，更适合面向高容量、高稳定性需求的储能系统，其商业化进程有待材料成本与制备工艺的进一步突破。

凝胶电解质作为锌离子电池实现实际应用的关键支撑，其功能化设计围绕宽温适应性、热可逆性、自修复性和高离子导电性四大核心方向展开，适配极端环境、柔性穿戴、高功率储能等多元应用场景，为电池的环境适应性、安全性、耐用性及电化学性能提供全方位保障。宽温适应性通过网络结构调控与离子传输介质优化的协同作用，依托可调交联密度的聚合物基质、低玻璃化转变温度的离子液体引入等策略，缓解低温下分子链结晶和高温下链松弛泄漏问题，部分体系可实现-50~70 °C稳定运行。热可逆性主要通过物理交联网络重组、相分离-复合、动态溶剂化结构调控三种机制实现，借助氢键、静电力等动态作用，使凝胶电解质在受热时发生凝胶-溶胶转变、冷却后恢复网络结构与性能，有效抑制电池热失控，部分体系在100 °C热滥用测试中体积膨胀率显著降低，提升电池安全性能。自修复性以凝胶基质内的可逆化学键或非共价相互作用为核心，无需外部刺激即可自主修复机械损伤，通过引入动态配位键、氢键等构建双交联网络，部分体系经多次切割-修复循环后仍能保持优异的电化学性能，适配柔性电子设备的反复形变需求。高离子导电性则通过竞争配位、动态跳跃传导及界面优化三大机制实现，调控Zn2+溶剂化结构、构建高效离子传输通道，降低离子迁移阻力，同时抑制锌枝晶生长和副反应，部分改性体系离子电导率可达10-3 S cm-1级别，显著提升电池充放电速率与能量转换效率，四大应用方向相互支撑，共同推动锌离子电池向高性能、高稳定性、多功能化方向发展。

机器学习（ML）作为一种变革性工具，正逐步融入凝胶电解质的设计与优化过程，有效突破传统试错法成本高、效率低、难以捕捉组分-结构-性能间复杂非线性关系的局限，通过分析现有实验与计算数据建立定量构效关系，借助人工神经网络、支持向量机、随机森林等多种模型，可精准预测凝胶电解质的离子导电性、锌腐蚀速率、电化学稳定性等关键性能，快速筛选海量组分空间中的潜力候选材料，还能指导功能定制化凝胶电解质的逆向设计。此外，ML还能提取关键分子描述符、揭示性能调控的内在物理化学机制，并通过实验验证数据反向调控模型迭代优化，深化其在凝胶电解质设计中的应用，为高性能锌离子电池的快速研发提供强有力的技术支撑。

综上所述，凝胶电解质作为推动锌离子电池技术发展的关键组分，凭借其独特优势，在解决水系锌离子电池枝晶生长与副反应难题上发挥了关键作用。本综述系统梳理了水凝胶与凝胶聚合物电解质的分类及其在宽温域适应性、热可逆性、自愈合能力及高电导率等四大功能维度的最新进展，并探讨了机器学习在加速材料理性设计中的应用潜力。展望未来，该领域的发展将聚焦于五大核心方向：一是开发兼具多重功能（如自愈合、热可逆、变色传感）的智能凝胶体系；二是优化电解质与正负极的界面兼容性以实现高效电荷传输；三是利用生物基或可降解材料构建环境友好的绿色电池；四是拓宽电化学稳定窗口以提升电池的工作电压与安全性；五是探索低成本、绿色且可规模化制备的工艺技术，从而推动高性能凝胶电解质基锌离子电池从实验室走向商业化规模应用。

张一博，男，1996年生，河南大学化学与分子科学学院讲师。2017年在广西大学化学化工学院取得硕士学位，2024年博士毕业于中南大学材料科学与工程学院。主要从事水系锌离子电池电极材料的设计合成及电池体系优化研究，对锌离子电池电极材料的可控制备、结构表征以及电化学性能分析具有系统性的研究经验。近五年已发表相关研究论文17篇，其中以第一/通讯作者在Energy Storage Mater., J. Energy Chem., Chem. Eng. J.（2篇）, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, Soft Sci., ACS Sustainable Chem. Eng.等国际知名期刊上发表论文10篇，入选ESI高被引论文2篇；主持中国博士后面上项目一项，参与多项国家自然科学基金项目。

龚春红，教授，博士生导师，河南省特聘教授，中国材料研究学会超材料分会理事会理事，中国电子材料行业协会电磁防护分会理事会理事，中国复合材料学会电磁复合材料分会委员，中国材料研究学会智能传感功能材料与器件分会委员会委员，河南省高等学校青年骨干教师，河南省涂料行业协会专家委员会委员。主要从事纳米材料的结构设计、宏量制备及其在能量转化与宽温域电磁防护材料领域的应用研究，主持国家自然科学基金项目4项、各种省级项目及企业合作项目多项。近年来，在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Nano-Micro Letters, J. Mater. Sci. Technol., Nano Research, J. Mater. Chem., Compos. Part B, Mater. Today Phys., Appl. Phys. Lett, Soft Sci.等国内外期刊上发表SCI收录论文50余篇。

本项工作得到了中国国家自然科学基金（22475065）和中国博士后面上项目（2025M771104）的资助。