李成超教授、杜文城副教授， AEM：粘弹性软固态电解质实现快速锌离子传导和高稳定锌负极

第一作者：林维佳

通讯作者：杜文城*，李成超*

单位：广东工业大学

锌离子电池具有高安全、低成本、环境友好、锌资源丰富等优势，在大规模储能领域具有广阔的应用前景。锌金属是最广泛研究的锌离子电池负极材料，由于锌金属具有高的化学活性，导致在常规水系电解液中存在固有的热力学不稳定性。因此电解质研究成为锌离子电池的一个重要研究方向。然而，目前的液态和固态电解质体系往往无法高效平衡锌负极稳定性和快速锌离子传导，成为制约锌离子电池发展的关键瓶颈。因此，探索新型结构电解质设计具有重要意义。本文展示了基于粘弹性固体结构原理设计新型电解质体系的工作，实现了快速锌离子电导率以及高的锌金属负极稳定性，并探讨了相关机理。本文为未来设计具有实用价值的高性能电解质体系提供了方向，有助于加速锌基储能技术的研究及实际应用。

基于此，来自广东工业大学的李成超教授与杜文城副教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Viscoelastic Soft Solid Electrolytes Enable Fast Zinc Ion Conductance and Highly Stable Zinc Metal Anode”的研究文章。该文章提出了粘弹性软固态电解质的设计思想，通过低聚物的“液-固”相转变的简便方法构筑了基于四氟硼酸锌盐+少量水+丙三醇无规聚醚基质+SiO₂填料复合结构的粘弹性固态电解质体系，解决了锌负极热力学稳定性与锌离子传输动力学无法高效平衡的问题。

图1. 粘弹性软固态电解质（VSSE）的分子结构设计策略，离子传输机制及其在离子传输特性、锌负极稳定性、界面兼容、廉价制备可扩展性以及灵活加工性等方面的综合解决方案。

红外光谱和低场核磁表征证明VSSE中不存在自由水，而是结合态水，这些结合态水不仅确保了锌负极高稳定性，而且水分子起到Zn-O配位调节剂的作用，减弱Zn离子与丙三醇无规聚醚中氧基团的强配位，促进锌离子的解离和快速扩散动力学。

图2 水分子结合状态，水分子对Zn-O配位的调节效应以及锌离子传输动力学的表征。

要点二：电解质流变结构

VSSE内在的粘弹性结构使其具有优异的触变性，显示典型的非牛顿流体行为，促进了VSSE的灵活加工性能，可方便涂布到常规滤纸上，用于电池隔膜组件。同时，纳米SiO₂填料增强了VSSE在不同基底上的粘附性能，有利于增强电解质-电极界面兼容性能。

图3 VSSE的触变性、剪切流变性、粘附性的相关表征。

要点三：优异电化学性能

基于VSSE的对称电池具有长时间（6-720小时）储存稳定性、长循环性能、倍率性能、搁置恢复性能，并且实现电沉积的非枝晶化沉积形貌。使用VSSE的rGO||Zn器件模型显示优异的搁置稳定性，以及搁置后充放电过程的循环稳定性。另外，基于VSSE的非挥发性和自粘附特性可构筑轻质化非封装软包电池。

图4 半电池性能测试结果。

图6 全电池性能测试结果。

要点四：前瞻

电解质调控是构筑高稳定长循环性能锌基电池的关键策略。目前开发的电解质体系主要集中在液态电解质，凝胶聚合物电解质和固态聚合物电解质，粘弹性固体作为一种具有特殊流变性的凝聚态结构在构筑新型电解质方面是一个潜在方向。这种电解质结构可综合利用液态电解质的流动性和固态电解质的机械性以及更有序的分子网络，在调控多价离子传输动力学方面具有参考价值。

Viscoelastic Soft Solid Electrolytes Enable Fast Zinc Ion Conductance and Highly Stable Zinc Metal Anode

李成超教授简介：广东工业大学教授，博士生导师，先后入选教育部青年长江学者，青年珠江学者，广东省珠江人才青年拔尖人才计划，东莞钜大特种储能研究院核心成员。主要从事高性能储能材料与高灵敏度传感技术研究。发展出晶相调控技术，插层化学调控技术提升电极离子迁移率；建立了系统的低维孔材料合成方法，改善离子扩散效率；并基于有机无机层状材料，开发出准均相碳复合材料合成技术实现分子水平碳与电极材料准均相复合，显著提升电极电子传导，实现50C超高倍率(分钟级)充放电。迄今，以第一作者/通讯作者身份在《JACS》、《Advanced Materials》、《Energy & Environmental Science》、《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》等国际权威期刊上发表SCI论文120篇，H因子65，SCI论文总他引次数7700余次，申请专利8项。主持了4项自然科学基金与2项省部级项目。