东华大学王宏志教授、李克睿研究员 CEJ：通过亲/疏水组分设计调控离子凝胶中的梯度水分布以实现高稳定的锌离子电池

第一作者：郑蓉，江楠

通讯作者：李耀刚*，李克睿*

单位：东华大学

锌离子电池（ZIBs）因其安全性、成本效益和环境友好等优势，被认为是下一代储能系统的有力竞争者。然而，锌负极在循环过程中易出现析氢反应、锌枝晶生长及副产物腐蚀等问题，严重影响电池的循环寿命和稳定性。为了克服这些挑战，开发具备高电化学稳定性和良好界面相容性的电解质成为关键。传统水凝胶电解质虽具备较高的离子导电性，但其高含水量易引发副反应；而离子液体基凝胶电解质拥有较宽的电化学稳定窗口，但其高粘度又限制了离子的快速迁移。

基于此，来自东华大学的王宏志教授、李克睿团队，在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Regulating the Gradient Water Distribution via Hydrophilic/Phobic Compositional Design in Ionogels for Stable Zinc Ion Batteries”的研究论文。该研究提出一种通过调控离子凝胶中亲/疏水组分比例，构建梯度水分布的新型策略，成功兼顾了电解质的离子传导性与电化学稳定性。该设计提升了Zn²⁺的迁移效率，有效抑制了枝晶生成和副反应。所构建的GW-IGE电解质展现出优异的性能，包括5.04 mS·cm⁻¹的高离子电导率、超过7000小时的长期循环寿命以及高达99.4%的库伦效率。在Zn||PANI全电池中，该电解质实现了90%的容量保持率，展示出在实际储能应用中的良好前景。该研究为高性能水系锌离子电池电解质的设计提供了全新思路。

图1. 水凝胶、有机离子凝胶以及GW-IGE的Zn²⁺溶剂化示意图

图2. a）GW-IGE吸湿过程示意图。b）GW-IGE吸湿动态过程的光学照片，比例尺为200 μm。c）GW-IGE的热重分析（TGA）曲线。d）GW-IGE的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。e）GW-IGE的拉曼光谱。f）dry-IGE与GW-IGE的Zn-Zn对称电池的循环性能。

本研究通过调控离子凝胶中的亲/疏水成分比例，成功构建了具有梯度水分布的离子凝胶电解质（GW-IGE），通过热重和红外光谱等表征手段证实，该梯度水结构降低了离子凝胶电解质的粘度与界面阻抗，从而实现优异的循环性能。

要点二：界面相容性与体相离子扩散行为机理探究

图3. a)使用dry-IGE和Zn||Zn对称电池的电化学阻抗谱（EIS）曲线。b）dry-IGE和GW-IGE的阻抗曲线及其离子电导率。c）dry-IGE和GW-IGE的Arrhenius曲线及其相应的活化能比较。d) dry-IGE与GW-IGE的Zn沉积初始成核曲线。e)在−20 mV时Zn电极的计时安培曲线。f) dry-IGE与GW-IGE中Zn²⁺传输与沉积行为示意图。

通过对比有/无梯度水分布的离子凝胶的电化学阻抗谱、离子电导率、活化能、Zn沉积成核行为，系统研究了梯度水对Zn²⁺传输以及电极/电解质界面兼容性的影响。结果表明，梯度水分布显著提升了电解质对电极界面的润湿性，促进了Zn²⁺在界面处的扩散。同时，梯度水增强了Zn²⁺的解离程度，降低了电解质的粘度，从而加快了Zn²⁺的迁移速率，使得GW-IGE展现出高达5.04 mS·cm⁻¹的离子电导率。

要点三：梯度水分布程度调控

图4 a) GWL-IGE和GWR-IGE的梯度水分布示意图。b) GWL-IGE与GWR-IGE的吸湿动态过程光学图像（上侧为GWL-IGE，下侧为GWR-IGE）。c) GWL-IGE和d) GWR-IGE的FTIR光谱。e)分子动力学（MD）模拟快照。径向分布函数（RDFs）及其相应的配位数f) GWL-IGE，g) GW-IGE，f) GWR-IGE。

为验证梯度水分布在离子凝胶电解质（IGE）中的关键作用，进一步制备了具有不同梯度水分布程度的IGEs。分子动力学模拟结果表明，GLW-IGE呈现出界面富水、内部梯度贫水的结构，而GRW-IGE则表现为界面贫水、内部梯度富水的分布。相比之下，GW-IGE具有更为均衡的内外梯度水分布。梯度水的分布显著影响Zn²⁺的溶剂化结构：界面自由水容易诱发剧烈的副反应，而内部梯度水分布程度的增加则提高了水分子与Zn²⁺的配位数，从而阻碍Zn²⁺的均匀去溶剂化过程。

图5 a)不同IGEs的Zn||Zn对称电池长循环性能。b)不同IGEs的Zn||Zn对称电池倍率性能。c)不同IGEs的库仑效率对比。d) GW-IGE的容量-电压曲线。e) IGEs梯度水含量分布对电池性能影响的示意图。

通过不同IGEs的长循环性能和库伦效率对比分析表明，具有均匀梯度水分布的GW-IGE在提升锌负极稳定性方面展现出独特优势，包括（1）显著提高的循环稳定性；（2）较低的电压极化；（3）优越的倍率性能；（4）良好的电镀/剥离可逆性。

要点四：全电池容量保持率提升

图6 a)不同IGEs的循环伏安（CV）曲线。b)不同IGEs全电池循环性能和库仑效率。c)不同IGEs的全电池在0.2 A g^–1下的充放电曲线。d)不同IGEs的全电池循环后Zn负极的SEM图像：(i) GWL-IGE，(ii) GW-IGE，(iii) GWR-IGE。

以GW-IGE组装的Zn//PANI全电池表现出更小的氧化还原峰电位间隙，展现出优异的循环稳定性。在0.2 A·g⁻¹的电流密度下循环400次后，仍可保持90%的容量，实现出色的长期循环性能。

Rong Zheng, Nan Jiang, Baojun Wang, Chengyi Hou, Qinghong Zhang, Hongzhi Wang, Yaogang Li and Kerui Li. Regulating the gradient water distribution via hydro-philic/phobic compositional design in ionogels for stable zinc ion batteries. Chem. Eng. J. 2025, 162991.

李克睿，研究员，博士生导师。国家级青年人才计划获得者，上海市海外高层次人才，上海市稀土学会理事，纤维材料改性国家重点实验室固定人员。2018年博士毕业于东华大学，2017年于丹麦科技大学进行博士联合培养，2018-2020年在新加坡国立大学从事博士后研究，随后入职东华大学。长期从事智能纤维材料与电子织物方向的研究工作，重点关注其在能源存储及宽光谱调控领域的应用，在材料领域知名期刊Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等期刊发表论文60余篇。

先进功能材料课题组(Advanced Functional Material Group，AFMG)始于2005年，隶属东华大学材料学院，具有完善的实验研究平台，导师团队包括：王宏志教授、李耀刚教授、张青红研究员、侯成义研究员和李克睿特聘研究员。课题组主要从事于智能变色/变形、能源转换与储存、传感与催化等功能材料的研究，特别是针对智能服装的应用，开发了一系列柔性可穿戴的功能材料与纤维器件，在航空航天、国防军事、人工智能、人机交互等领域具有广泛应用。在Science、Science Advances、Nature Communications、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、PNAS等国际知名学术期刊发表论文500余篇，获授权中国专利200余项。

课题组主页：https://pilab.dhu.edu.cn/afmg/