山东理工大学李超/孙武珠、苏州大学孙靖宇ACS Nano：仿生策略调控水凝胶电解质性能用于宽温水系锌电

共同第一作者：王玲美、王汇才

通讯作者：李超、孙武珠、孙靖宇

单位：山东理工大学、苏州大学

随着智能可穿戴设备向更小型化、多功能化方向发展，其对电池系统的安全性和性能要求不断提高。目前已报道的水凝胶电解质普遍存在机械耐久性不足、极端温度下性能恶化、水分流失导致离子电导率下降等问题。特别是在低温环境下，水凝胶易结冰失去导电能力；在高温环境下，水分蒸发影响电池稳定性。此外，电极-电解质界面在机械变形过程中的稳定性都限制了水系锌离子电池在可穿戴设备中的实际应用。自然界中极端环境生物（如耐寒植物、耐旱动物）通过特殊的代谢物（如海藻糖）锁定水分子，防止结冰和失水，这启发我们思考将此机制迁移至电化学体系。研究水凝胶中水分子与仿生锁水分子、聚合物网络和锌离子的相互作用机制，对于发展高性能锌基电池具有重要意义。

近日，山东理工大学李超副教授、孙武珠副教授团队与苏州大学孙靖宇教授合作，在国际知名期刊ACS Nano发表题为“Restructuring Hydrogen Bond Networks in Polyacrylamide Hydrogels via Trehalose Additives for Wide-Temperature-Range Zn-Ion Batteries”的研究论文。本研究将天然抗冻保湿剂海藻糖引入聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶电解质中，通过重构氢键网络和调控锌离子溶剂化结构，有效抑制了枝晶生长和副反应。优化后的PAM/30%海藻糖水凝胶电解质实现了-15°C至50°C的宽温度范围稳定运行，显著提升了机械强度、高温保水性能、低温抗冻性能。组装的锌离子电池在室温下循环2000次后容量保持率达87.2%。研究成功构建了可穿戴太阳能充电系统，整体能量转换效率超过10%，为自供电可穿戴电子设备提供了新的解决方案。本论文第一作者为王玲美、王汇才，第一单位为山东理工大学材料科学与工程学院。

采用海藻糖这一天然抗冻、保水剂，模拟自然界的冷冻保护机制，通过重构PAM水凝胶的氢键网络和锌离子溶剂化结构，改进了水凝胶电解质的温度敏感性和电极/电解质界面稳定性问题。

PAM/30%海藻糖水凝胶电解质实现了-15°C到50°C的宽温度工作范围，锌离子电池循环2000次后容量保持率达87.2%，对称电池稳定运行超过1200小时，库伦效率达99.42%。

Restructuring Hydrogen Bond Networks in Polyacrylamide Hydrogels via Trehalose Additives for Wide-Temperature-Range Zn-Ion Batteries

李超：山东理工大学副教授，2017年7月于中国科学院金属研究所获得材料科学与工程博士学位，随后在苏州大学从事博士后研究工作，合作导师为刘忠范院士和孙靖宇教授。2020年加入山东理工大学材料科学与工程学院，主要从事石墨烯等新型碳材料、集能储能一体化器件的研究。在第一/通讯作者在Adv. Mater.、ACS Nano、J. Energy Chem、J. Mater. Sci. Technol.、Nano Energy等学术刊物上发表多篇研究论文。

孙武珠：山东理工大学副教授，2013年博士毕业于中国科学技术大学&中科院金属研究所，2016年加入山东理工大学材料科学与工程学院，2019-2020年在香港科技大学访学，合作导师为邵敏华教授。目前主要从事环境友好功能材料的研究，主持完成国家自然科学基金2项、沈阳材料科学（联合）国家实验室青年人才项目2项。发表 SCI论文30余篇，包括ACS Nano、Appl. Catal. B: Environ.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A等。

孙靖宇：苏州大学教授。国家级青年人才，江苏省杰出青年基金获得者，英国皇家化学会会士。江苏省先进碳材料与可穿戴能源技术重点实验室主任。2008年于浙江大学获学士学位，2013年于英国牛津大学获博士学位。2013-2015年、2015-2017年分别在北京大学和英国剑桥大学开展博士后研究工作。2017年入职苏州大学，任特聘教授、博士生导师。主要从事新型石墨烯材料、碳基能源材料研究。在国内外学术期刊上发表研究论文逾280篇，总引用24000余次，h因子为84。