北理工王克亮团队EnSM: 凝胶化学改性和电池结构改进共同助力高功率密度柔性锌空气电池

第一作者：商诺# 王恒威#

通讯作者：王克亮* 魏满晖*

单位：北京理工大学，北京大学，清华大学智能绿色车辆与交通全国重点实验室

为了提高锌空气电池（ZABs）便携性和可穿戴性，柔性电解质已被广泛使用。全固态电解质的离子电导率低，导致实际应用中的高阻抗和低功率输出，但水凝胶电解质已经成为缓解这些挑战的可行解决方案。在各种水凝胶材料中，聚丙烯酸（PAA）表现出优异的离子导电性、在碱性环境中的稳定性和良好的附着力，保证了与电极的紧密接触。最近的研究发现两性离子聚合物如2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸（AMPS）在ZABs中具有高离子电导率和结构稳定性。然而，水凝胶电解质的潜力仍然受到保水问题和有限的功率密度的限制，大多数柔性ZABs无法超过200 mW cm-2。此外，现有的策略往往侧重于材料改性或结构优化，但很少探索两者对电池性能的综合影响。

近日，来自北京理工大学的副教授王克亮团队在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“A High Power Flexible Zn-Air Battery via Concurrent PAA Modulation and Structural Tuning”的研究论文。在本研究中，我们采用磺酸化和添加无机盐的方法来提升PAA凝胶的离子导电性和保水/吸水性能。评估了不同盐类对凝胶结构和性能的影响，发现醋酸钾（KAc）因其导电性和保水性的平衡而最适合用于功率型电池。而氯化钾（KCl）则更适合能量存储型电池，因为它略微降低了阻抗并显著提高了电池寿命。此外，为了实现高功率放电，突破传统锌空气电池的功率表现，我们开发了一种超薄水凝胶，并简化了空气电极设计，实现了最高387 mW cm^-2的峰值功率密度，为柔性锌空气电池在功率应用领域的使用带来了进步。

研究采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS) 与聚丙烯酸 (PAA) 共聚，并通过添加 KCl 和 KAc 无机盐，利用 Hofmeister 效应，有效调控了凝胶的离子电导率和保水能力。其中，KCl 的添加显著提升了凝胶的保水能力，延长了电池寿命至 55 小时以上；KAc 则在离子电导率和凝胶寿命之间取得了平衡。

研究通过两步法优化了柔性锌空气电池的结构，显著提高了其功率放电表现。首先，采用改性微垂直狭缝涂覆装置制备了厚度小于 0.5 毫米的超薄凝胶，降低了离子迁移电阻；其次，优化了空气电极结构，去除了传统的气体扩散层，降低了电子传导电阻，并改善了氧气的传输效率。

研究制备的 20S、20S-KCl 和 20S-KAc 三种凝胶电解质，分别适用于不同的应用场景。20S 凝胶具有最高的离子电导率，适用于对功率输出要求较高的应用，如智能手机、无人机和机器人；20S-KCl 凝胶具有最佳的保水能力，适用于对电池寿命要求较高的应用，如物联网传感器和芯片；而 20S-KAc 凝胶则在功率和寿命方面取得了平衡，适用于对两者都有较高要求的应用，如先进的可穿戴电子设备。

A High Power Flexible Zn-Air Battery via Concurrent PAA Modulation and Structural Tuning

王克亮，男，北京理工大学长聘副教授，博士生导师。研究领域为金属-空气电池、燃料电池等，主讲工程热力学和传热学。主要以动力电源和电池储能为研究对象，针对电池的功率密度、充放电效率及寿命问题，开展金属电极、电解质、空气电极等电池关键技术的实验和理论研究。现担任清华大学汽车安全与节能国家重点实验室客座研究员，国际知名期刊审稿专家，国家自然科学基金、香港基金、北京自然科学基金项目评审专家。主持完成清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金、国家自然科学基金、军委科技委等项目。长期从事于金属-空气电池研究，包括枝晶生长和金属电极腐蚀、凝胶电解质和氧氧化还原催化剂研发。以第一作者或通讯作者在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等高水平期刊上发表SCI论文六十余篇。

商诺：北京理工大学2021级硕士研究生，导师为北京理工大学王克亮副教授。主要研究方向为可充电锌空电池固态及准固态电解质，以第一作者在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Journal of Materials Chemistry A等期刊发表论文四篇，目前于北京大学材料科学与工程学院曹安源教授课题组攻读博士。