贵州大学黄俊特聘教授/谢海波教授、南昌大学陈义旺教授Angew：一种具有强界面化学的仿生多功能水凝胶网络用于无枝晶柔性锌离子电池

第一作者：杨宋

通讯作者：黄俊*，谢海波*，陈义旺*

单位：贵州大学，南昌大学

柔性、高性能水系锌离子电池（ZIBs）具有低成本、安全等优点，被认为是可穿戴电子产品中最有前途的储能候选器件之一。然而，在循环过程中，电极/电解质界面容易发生不受控制的Zn枝晶生长和一系列副反应，导致库仑效率低和Zn阳极的不可逆损失，从而导致器件失效。水凝胶电解质具有显著的柔性以及减轻锌阳极副反应的明显优势，是代替液体电解质的最优选择之一。然而，水凝胶电解质的机械性能和界面化学稳定性有待提高，这限制了它们在柔性ZIBs中的应用，这种影响在恶劣的机械应变下表现得尤为明显。针对于提升水凝胶性能的众多策略大都集中于增加其机械强度，关于电极/电解质界面化学的研究却鲜有报道。

近日，来自贵州大学的黄俊、谢海波教授与南昌大学的陈义旺教授，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“A Bio-Inspired Multifunctional Hydrogel Network with Toughly Interfacial Chemistry for Dendrite-Free Flexible Zinc Ion Battery”的研究文章。该研究文章报道了一种具有强界面化学的仿生多功能水凝胶网络（PAM/trehalose），该水凝胶电解质通过网络修复策略，具有优异的机械性能和粘附性能，实现了无枝晶和长寿命的柔性ZIBs。

该工作首先对PAM/trehalose水凝胶的力学性能进行分析。结果表明，冻干后的PAM/trehalose水凝胶具备丰富的孔隙结构，这有助于实现锌离子的快速转移和较好的力学性能。拉伸试验结果表明，经过海藻糖修饰后，水凝胶的力学强度和断裂伸长率显著提升，在多次循环拉伸和压缩验证了PAM/trehalose水凝胶在多次反复变形后依旧具备较好的恢复性能。同时，PAM/trehalose水凝胶与各种材料基底都具备优异的粘附性，较好的粘附性有助于实现快速且稳定的电荷传递。该水凝胶优异的力学性能和粘附性有助于提升柔性锌离子电池在各种形变下的稳定性。

通过第一性原理和一系列表征验证了PAM/trehalose凝胶电解质能有效调控Zn²⁺的沉积行为。在PAM/trehalose水凝胶电解质系统中，得益于海藻糖的羟基和PAM的酰胺基协同作用，Zn(OH)₆²⁺能够有效实现去溶剂化，进而减少副产物的产生，这一现象也通过拉曼测试得到了验证。电化学测试表明，使用了PAM/trehalose水凝胶电解质后的锌阳极腐蚀现象得到抑制，Zn²⁺更倾向于3D沉积行为。SEM，AFM表明使用PAM/trehalose凝胶电解质循环后的锌阳极更为平整，XRD证实了其能够有效诱导002晶面的沉积。

一系列的Zn//Zn对称电池和Zn//Cu非对称电池被用于表征锌阳极的长循环稳定性。在Zn//Cu非对称电池测试中，PAM/trehalose凝胶电解质实现了98.8%的平均库伦效率和850次长循环。在Zn//Zn对称电池测试中，该凝胶电解质在1mA cm^-2/1mAh cm^-2下表现出了2400 h的对锌长循环，在5mA cm^-2/2mAh cm^-2的测试条件下能够达到460 h。在倍率性能测试中，使用PAM/trehalose电解质的Zn//Zn对称电池在1-20 mA cm^-2的电流密度下，展现出卓越的倍率性能以及较小的交换电流密度（2.2489 mA cm^-2）。得益于其强界面化学，使用PAM/trehalose凝胶电解质组装的柔性对称电池在不同了弯曲半径下依旧实现了更长的对锌循环时长（在R=2 mm和R=6 mm下均超过500 h）。

通过新颖的原位测试和有限元模拟计算有效证实了PAM/trehalose凝胶电解质在保护锌阳极方面的卓越效果。通过循环后锌阳极的XPS表征分析锌阳极的表面组成表明该电解质能够抑制副产物的形成。原位光学显微镜直观的观察到不同电解质下锌阳极的沉积行为，证实了使用PAM/trehalose凝胶电解质后锌阳极更为平坦。紧接着，通过原位软包XRD对锌沉积行为下各晶面的实时观察，发现随着沉积时间的延长，PAM/trehalose水凝胶电解质中100晶面的峰值强度保持恒定，表明PAM/trehalose水凝胶电解质可以抑制锌在100晶面的沉积，并向有利方向沉积。有限元模拟进一步证实了基于该网络修复策略和强界面化学能有效均匀化电场和浓度场，抑制HER反应，实现均匀的锌沉积。

基于该网络修复策略和强界面化学，组装的Zn//MnO₂纽扣电池在超大电流密度下展现出卓越的倍率性能和优异的长循环性能。所组装的柔性Zn//MnO₂袋状电池即使在各种变形的极端条件下，依旧拥有极好的容量保持率，进一步证实PAM/trehalose凝胶电解质的实际应用潜力。

A Bio-Inspired Multifunctional Hydrogel Network with Toughly Interfacial Chemistry for Dendrite-Free Flexible Zinc Ion Battery

聚焦生物质资源（秸秆、竹资源）综合利用，在Adv. Funct. Mater., Energy Storage Materials, Chem. Eng. J., Green Chem., 等杂志共发表SCI论文120余篇，累计他引4500余次。曾获中国化学会纤维素专业委员会首届创新贡献奖；中国林学会“梁希”青年论文三等奖；“离子液体与绿色过程”青年创新奖；辽宁省自然科学二等奖，大连市技术发明一等奖；爱尔兰都柏林城市大学职业启动奖，2020年贵州大学“国华奖”。合作主编英文学术专著1部，参与撰写中英文专著8部；近5年申请中国专利50余项，获得授权专利20项。在重要国际、国内学术会议上做大会报告3次，主旨/邀请报告40余次；中国化学会第三届全国纤维素学术研讨会、第四届国际生态环境高分子材料研讨会、第三届非粮生物质高值化利用论坛共同主席；2009年第30届美国环境毒理与化学年会“绿色生物炼制”分会，2015泛太平洋地区化学会议（Pacifichem2015）木质素转化分会共同主席；中国化学会第一届全国纤维素学术研讨会纤维素绿色转化分会主席。

陈义旺教授简介：南昌大学和江西师范大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家“万人计划”科技创新领军人才，国家百千万人才工程，德国洪堡奖学金获得者，享受国务院特殊津贴，俄罗斯自然科学院外籍院士。2019年起历任江西师范大学副校长，副书记，2022年任赣南师范大学校长，南昌大学高分子及能源化学研究院院长，江西师范大学氟硅能源材料与化学教育部重点实验室主任，江西省化学化工学会理事长，中国化学会会士，教育部科技委委员，《Chinese J. Polym. Sci.》《Science China Materials》《eScience》《Fundamental Research》等编委。主持和完成国家自然科学基金重点项目/中德国际合作项目等、科技部973前期研究专项等项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.等国际期刊发表学术论文400余篇；获授权发明专利49项；撰写中英文专著2部，教材2部。作为第一完成人获江西省自然科学一等奖、教育部自然科学二等奖、获日内瓦国际发明展金奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖、中国产学研合作创新奖、江西省教学成果一等奖1项和二等奖3项、中国侨界贡献奖、获全国宝钢优秀教师奖。

杨宋，贵州大学材料与冶金学院2022级硕士研究生，导师为黄俊特聘教授，主要研究方向为凝胶电解质在水系锌离子电池中的应用。目前在Angew. Chem. Int. Ed.; Energy Environ. Sci., Chem. Eng. J., Green Chem. 等期刊发表多篇SCI论文。