天津科技大学刘苇教授团队：面向高性能水系锌离子电池的抗冻水凝胶电解质的分子设计与应用

鉴于对与碳中和目标相契合的可持续能源储存技术的紧迫需求，水系锌离子电池（AZIBs）凭借其内在的安全性、环保特性以及成本效益，成为研究的热点。尽管如此，这类电池在低温条件下的性能因离子动力学迟缓、界面稳定性不足和电解质冻结等问题而受到显著制约，进而影响了其商业化应用。抗冻水凝胶电解质（AFHEs）因其具备的防冻性能、机械柔韧性和可调电化学特性，为克服上述低温性能障碍提供了一种潜在的解决方案。

近日，天津科技大学刘苇教授团队，在Materials Today期刊上发表题为Anti-freezing hydrogel electrolytes: From molecular engineering to applications in aqueous zinc-ion batteries的综述文章，通讯作者为刘苇教授和李珑副教授，江闯和张育清为共同第一作者。文章全面总结了AFHEs领域近期的前沿进展，阐明了调控冰晶成核与生长的基本机制。系统阐述了四种关键的电解质设计策略：生物衍生材料开发、盐成分/浓度优化、醇类溶剂引入及水凝胶网络工程，这些策略均以提升AZIBs的应用性能为目标。通过对比评估每种策略的优势与固有局限性，深入分析了决定离子传导、界面动态行为及低温性能的“结构-性能”关联机制。最后，明确指出了下一代基于AFHEs的AZIBs尚未解决的科学瓶颈与新兴研究方向。

在低温下长期运行这一迫切的需求将AFHEs的研究推进到了先进电池开发的前沿，引发了对基于AFHEs的AZIBs的材料基础创新和实际应用的迅速增长的科学兴趣。文章展示了自2017年首次应用以来，AFHEs在AZIBs中的演变历程，表明其从简单的盐/醇添加发展到诸如引入生物衍生材料和网络改性等更先进的策略，呈现出快速的进步趋势。

文章首先介绍了水凝胶电解质中水分子的三种不同的热力学状态：1）自由水，这类水分子会在0 °C结冰，导致电解质固化；2）弱结合水，其抗冻能力有所提升，会在-20 °C至-40 °C之间凝固；3）强结合水，借助熵驱动稳定机制，可在-100 °C以下保持液态。这一机理认知为AFHEs的设计带来了两条并行原则：1）引入低温添加剂（如生物质衍生物/盐/醇类），通过竞争作用破坏水分子的氢键网络，从动力学层面抑制冰晶生长；2）通过调控聚合物化学性质，增强水分子与聚合物网络的结合能，将自由水转化为强结合水。

文章总结了开发AFHEs的四种策略：一是利用生物源材料（如山梨醇、海藻酸钠），具有可再生和可生物降解性；二是优化盐的成分与浓度，以获得较高的抗冻性能和离子电导率；三是引入醇类溶剂（如甘油、乙二醇），以提高能量密度和安全性；四是通过工程化网络（如使用有机溶剂和改性聚合物），提升机械性能和离子电导率。

文章综合分析了AZIBs中AFHEs的基础设计原则、分子相互作用的机理分析以及技术瓶颈的关键评估，进一步指出：尽管在协调低温运行稳定性与机械柔韧性方面已取得显著进展，但在材料化学与器件工程的交叉领域，仍存在一些关键挑战。纳米限域条件下离子传输动力学的基础局限性、制备均相聚合物-电解质界面时的规模化限制，以及对长期降解路径的认知不足，这些问题必须通过计算模拟、原位表征技术与仿生材料设计的协同发展来系统解决。通过多学科合作攻克这些挑战，有望使水凝胶基AZIBs成为极端环境下（从极地考察到航空航天应用）储能的关键技术，同时为下一代电解质工程提供具有普适性的见解。