南静娅副研究员、王春鹏研究员，CEJ研究论文：双相水凝胶“稳锌”新策略：应力分散+离子定向+电场均匀化，实现高可逆水系锌离子电池

第一作者：纪青松

通讯作者：南静娅*，王春鹏*

单位：中国林业科学研究院林产化学工业研究所

聚合物水凝胶电解质兼具液态体系的高离子传导与固态体系的形态稳定优势，同时具有良好的柔韧性与可规模化制备潜力，因而受到广泛关注。然而，越来越多研究表明，仅依赖离子传输调控仍难以支撑长期稳定运行：在锌负极/电解质界面，充放电体积变化易引发应力集中，叠加局部离子通量不均以及尖端效应导致的电场畸变，最终造成锌沉积失衡与副反应加剧，进而诱发枝晶生长并加速循环衰减。基于此，本文通过构建双相结构、引入可逆配位与导电网络，提出并验证了“应力分散—离子定向调控—电子场均匀化”的协同策略，并面向高倍率、长寿命及工程化软包应用给出关键设计思路。

近日，中国林业科学研究院林产化学工业研究所南静娅副研究员与王春鹏研究员团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表的题为“A biphasic hydrogel electrolyte with multi-scale stress deconcentration and dual-field regulation for highly reversible aqueous Zn ion batteries”的研究论文。提出一种“双相水凝胶电解质”来解决水系锌离子电池中锌阳极易枝晶、生长不均与界面失稳等问题。该团队采用“聚合+盐析/配位”策略构建新型双相水凝胶，使其同时具备多尺度应力分散与离子/电子双场调控能力：双相结构帮助缓解界面应力集中、维持紧密接触；CMC相的–COO–引导Zn²⁺迁移、SCNTs促进促进电荷快速再分配，削弱尖端效应引发的局域电场畸变，形成更均匀的离子通量与电子场，从而诱导更均匀、更平整的锌沉积。最终，全电池不仅实现长循环稳定，还在低温与大幅弯折等工况下展现可靠输出，为水系锌电池的安全柔性与工程化应用提供了新路径。

本文采用“先聚合—再盐析/配位”两步法诱导相分离，构建层级双相结构；SEM直观确认相分离形貌与碳纳米管引入后的结构均匀化；Raman与FT-IR中指向氢键增强与–COO–/Zn²⁺可逆配位，并通过G谱带进一步证明SCNTs成功引入；在 Zn2p 与 O1s谱中观察到配位相关的结合能变化；LF-NMR显示T2明显缩短，说明水分子运动受限、结合水比例提升（水活性降低），为抑制副反应提供支撑。

该PAAm-CMC-SCNTs双相水凝胶电解质表现出突出的“强韧—高弹—抗疲劳”力学特征：在优化配方下，其断裂强度可达0.55 MPa、断裂应变达1100%，并实现较高刚度（Young’s modulus 119 kPa）与高撕裂能（17.5 kJ m⁻²）的协同提升，较PAAm与PAAm-CMC体系均显著增强。同时，水凝胶在双轴拉伸下可扩展至约原面积的30倍且卸载后近乎完全恢复，并能抵抗移液枪尖端穿刺而保持结构完整，体现出优异的韧性与抗破坏能力。更重要的是，其在100%应变下连续1000次拉伸循环仍保持>98.9%应力保持率、>97.5%回弹率且塑性变形<2.5%，显示出长期循环工况所需的高稳定弹性与耐疲劳性。

该PAAm-CMC-SCNTs水凝胶在优化配方下离子电导率可达60.6 mS cm^–¹，而电子电导率仅约0.13 mS cm–¹且泄漏电流很低，说明其保持“高离子传导、低电子渗流”的电解质属性；与此同时，Zn成核过电位显著降低，CV与CA表明其成核/生长动力学更可控并更倾向均匀沉积；Zn²⁺迁移数提升至0.753，反映羧基对Zn²⁺通量的均化与定向作用；电化学测试（LSV/Tafel/DEMS）进一步显示析氢与腐蚀等副反应被有效抑制。原位光学显微镜与循环后SEM/AFM直接观察到Zn阳极表面的沉积层更致密平整、表面粗糙度降低，而KPFM显示表面电势分布更均匀，印证SCNT网络可重分配电荷、削弱尖端效应；XRD亦表明腐蚀副产物减少且Zn 更趋向(002)晶面平面生长。最后，COMSOL模拟从应力场、浓度场与电子场三方面共同支持其“均匀化”机理，为抑制枝晶与提升锌负极可逆性提供了完整证据链。

进一步用Zn||Cu非对称电池与Zn||Zn对称电池系统对比不同水凝胶电解质的长循环表现。以库仑效率（CE）衡量可逆性时，PAAm电解质仅循环241圈即因枝晶与副反应导致短路失效，而引入CMC后寿命提升至682圈；采用PAAm–CMC–SCNTs双相电解质则实现更优可逆性，在1000圈内保持98.2%的高CE且电压曲线平稳，体现出更稳定的沉积/剥离过程。进一步在Zn||Zn对称电池长时恒流循环中，PAAm–CMC–SCNTs在1 mA cm^–2/1 mAh cm^–2条件下可稳定工作>1500 h，并保持最低且最稳定的过电位；相比之下，PAAm–CMC虽可达约 800 h但过电位更高，纯PAAm约236 h便发生短路，整体显示双相电解质的循环寿命约为PAAm的~6倍。此外，在更苛刻的间歇充放电（5 mA cm^–2/5 mAh cm^–2）下其仍可运行>600 h，并在1~10 mA cm^–2（固定 1 mAh cm^–2）的电流密度范围内持续表现出更低过电位与更长循环时间，进一步验证了“多尺度应力分散+离子/电子双场调控”对长期界面动力学与可逆性的综合提升作用。

基于该PAAm-CMC-SCNTs水凝胶电解质的Zn||NaV₃O₈·1.5H₂O（NVO）全电池展现出优异的电化学性能：在0.5 A g^–1下实现375.4 mAh g^–1的高比容量，在 8 A g–1的高倍率下仍可保持188.9 mAh g^–1，并在3000次循环后容量保持率达到91.6%，体现出卓越的倍率适应性与长循环稳定性。同时，该体系在高温、高湿以及低温（−30 °C）等严苛环境下依然能够维持持续稳定的输出。此外，组装的柔性软包电池表现出突出的机械与环境适应能力，即使在室温和−30 °C条件下经历剧烈弯折，仍可可点亮圆形灯。总体而言，本研究不仅为多功能水凝胶电解质调控锌阳极行为提供了重要机理认识，也为构筑面向实际应用的先进锌基储能器件提供了可借鉴的设计思路与工程化指导。

“A biphasic hydrogel electrolyte with multi-scale stress deconcentration and dual-field regulation for highly reversible aqueous Zn ion batteries”

南静娅副研究员简介：2020年博士毕业于中国林业科学研究院，长期从事生物基胶黏剂结构设计及在木竹材料中的应用特性研究。以通讯作者身份在Nano Micro Lett. Adv. Sci.、Small、Chem. Eng. J. 等学术期刊上发表论文多篇。以第一发明人获得授权发明专利3件，作为主要完成人获得国际先进水平新技术3项、国际先进水平新产品4项。

王春鹏研究员简介：2003年博士毕业于中国林业科学研究院，现任中国林业科学研究林产化学工业研究所生物质材料化学研究室主任、林产资源基高分子复合材料学首席专家、中国胶黏剂协会理事和技术顾问。长期从事木材胶黏剂、生物基高分子材料和聚合物乳液的研究和开发。以第一作者或第一通讯作者身份在Nano Micro Lett. Adv. Sci.、Small、Chem. Eng. J. 等学术期刊上发表论文70余篇，授权发明专利30余件，出版论著2部。

纪青松简介：目前博士就读于中国林业科学研究院林产化学工业研究所林产化学加工工程专业，长期从事生物基高分子材料的研究和开发，以第一作者在Chem. Eng. J.、 Small等学术期刊上发表论文多篇。