湖北大学王浩/万厚钊/吕琳，最新AEM：双重氢键网络调控的水凝胶电解质用于宽温柔性锌空气电池- 大数跨境

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湖北大学王浩/万厚钊/吕琳，最新AEM：双重氢键网络调控的水凝胶电解质用于宽温柔性锌空气电池

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2025-11-11

导读：湖北大学王浩/万厚钊/吕琳，最新AEM：双重氢键网络调控的水凝胶电解质用于宽温柔性锌空气电池

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文章信息

双交联策略和极性添加剂重构聚丙烯酸钾-明胶水凝胶中的氢键网络用于宽温柔性锌空气电池

Double Cross-Linking Strategy and Polar Additives Reconfigured Hydrogen Bond Networks in Potassium Polyacrylate-Gelatin Hydrogels for Flexible Zn-Air Batteries with Wide-Temperature Range

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

单位：湖北大学集成电路学院

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研究背景

柔性锌空气电池（FZAB）由于其高能量密度、固有安全性和环境可持续性而在可穿戴电子产品中受到广泛关注。然而，凝胶聚合物电解质（GPE）面临着获得具有上级液体保持性、锌阳极相容性和宽温操作的高性能FZAB的持续挑战。在这里，它表明，将明胶（Gel）网络和柠檬酸钠（SC）缓冲液到聚丙烯酸钾（PAAK）有效地调节氢键网络的混合水凝胶。这种共调节策略导致具有显著增强的电解质保留（暴露于空气96小时后为70.4%）的双重交联水凝胶。同时，三元凝胶提供了强大的分子间相互作用，赋予其卓越的灵活性和离子电导率（285.7 mS cm⁻¹）和亲锌特性，通过氢键网络的重新配置来抑制枝晶生长。实验和计算结果阐明了三元杂化水凝胶的上级性能的起源，突出了双交联网络和SC共介导氢键网络的重要作用。这些特性使FZAB具有122.2 mW cm⁻²的高功率密度、771.2 mA h gZn⁻¹的比容量和−40 °C下100 h的长循环寿命，上级常用聚合物基电解质的电池。

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文章简介

近日，来自湖北大学的王浩教授、万厚钊教授、吕琳副教授，在国际权威期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Double Cross-Linking Strategy and Polar Additives Reconfigured Hydrogen Bond Networks in Potassium Polyacrylate-Gelatin Hydrogels for Flexible Zn-Air Batteries with Wide-Temperature Range”的研究文章。该研究将强极性柠檬酸盐掺入PAAK-Gel的双网络结构中重构了三元杂化水凝胶的氢键网络，赋予具有PAAK-Gel-SC三元水凝胶的FZAB在宽温度范围内具有优异的界面稳定性和可操作性。

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本文要点

要点一：双交联网络结构与极性添加剂的协同作用

通过在聚丙烯酸钾（PAAK）和明胶（Gel）之间构建双交联网络，并引入极性添加剂柠檬酸钠（SC），重构了水凝胶内部的氢键网络。SC富含亲水基团（–OH 和 –COO⁻），增强了水分子与聚合物链之间的氢键作用，显著提升了水凝胶的电解质保持能力和抗冻性能。

要点二：优异的水凝胶性能表现

PAAK-Gel-SC 三元杂化水凝胶表现出卓越的综合性能：

超高离子电导率：285.7 mS cm⁻¹
优异的机械性能：可拉伸超过250%
良好的保液性：空气中暴露96小时后仍保持70.4%的水分
低温耐受性：在-40 °C下仍保持150 mS cm⁻¹的离子电导率

要点三：锌负极界面稳定与枝晶抑制

SC优先吸附在锌负极表面，重构电极-电解质界面的氢键网络，有效抑制锌枝晶生长和副反应（如析氢反应）。DFT计算显示SC与Zn(101)晶面的吸附能（-1.76 eV）远高于水和PAAK，表明其强烈的锌亲和性。

要点四：锌负极界面稳定与枝晶抑制

基于PAAK-Gel-SC水凝胶组装的柔性锌空气电池展现出：

高功率密度：122.2 mW cm⁻²
高比容量：771.2 mA h gZn⁻¹
长循环寿命：在-40 °C下稳定循环超过100小时
良好的机械柔性与环境适应性：可在弯曲、折叠甚至部分损坏条件下正常工作，并能驱动LED和手机等设备。

图1. a）传统的单网络水凝胶。B）双网络水凝胶。c）使用三元杂化水凝胶的Zn沉积的示意图和副反应的抑制机制。d）SC调节PAAK-Gel内部网络的示意图。e）双交联网络和SC的共同介导机制图。

图2. a）吸收KOH后PAAK-Gel-SC水凝胶内部网络的变化。B）拉伸、塑性和应力-应变。c）PAAK-凝胶-SC的SEM图像。d）孔径分析。e，f）系统1 PAAK和系统2 PAAK-Gel-SC的MD模拟。g）系统1和系统2中每个组分的COM-RDF。h）MSD。i）每个组件的协调编号。j）PAAK和SC的静电势。k）H2O和体系1和体系2中各组分形成的氢键数。l）相互作用能。

图3. a）双网络结构和SC共介导的氢键网络的示意图。B）三种水凝胶的FT-IR。c）水接触角测试。d）拉曼光谱。e）DSC。（f）环境影响报告书。g）离子电导率。h）当暴露于空气时液体保持性能的变化。i）离子电导率和液体保留性质与先前报道的文献的比较。

图4. a）FZAB水凝胶电解质中锌枝晶生长和其它副反应的示意图。B）SC添加剂抑制锌枝晶生长的原理示意图。c）锌板与H2O、PAAK、PAAK-Gel和PAAK-Gel-SC之间的接触角。d）H2O、Gel、PAAK和SC与Zn（101）晶面的吸附能。e-g）用三种水凝胶电解质组装的对称电池在1 mA cm-2下的充电-放电循环。h-j）循环后锌板的AFM图像。k-m）循环后锌板的SEM图像。

图5. FZAB中凝胶电解质的电化学性能。a）FZAB配置示意图。B）开路电压。c）极化曲线和功率密度曲线。d）FZAB在2 mA cm^-2电流密度下的长期循环性能，每次循环20分钟。e）从24 h到26 h的FZAB的充电-放电曲线。f）FZAB的速率性能曲线。（g）比容量。（h）雷达图与以前报告的其他文献的比较。i）当弯曲至不同角度时，具有PAAK-Gel-SC凝胶电解质的FZAB的循环性能。j）两个串联的FZAB在损坏和折叠的情况下为LED灯板供电。k）当佩戴在人的手腕上时，四个串联连接的FZAB可以为智能手机充电。

图6. 凝胶电解质在宽温度范围内的电化学性能。a）FZAB在宽温度范围内工作的示意图。B）极化曲线和功率密度曲线。c）速率曲线。（d）比容量。e）FZAB在不同温度下的充电和放电曲线。f）在不同温度下，FZAB的长期循环性能，电流密度为2 mA cm⁻²，每次循环20 min。g）FZAB从12至14小时的充电-放电曲线。h-k）在h）室温、i）0 °C、j）100 °C和k）恢复至室温下用PAAK-Gel-SC水凝胶组装的FZAB为LED灯泡供电。

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文章链接

Double Cross-Linking Strategy and Polar Additives Reconfigured Hydrogen Bond Networks in Potassium Polyacrylate-Gelatin Hydrogels for Flexible Zn-Air Batteries with Wide-Temperature Range

https://doi.org/10.1002/aenm.202504476

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通讯作者简介

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、Advanced Functional 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。