云南大学AFM，固态凝胶电解质：凝胶金属位点构筑快速阴离子通道

第一作者：杨浩

通讯作者：胡万彪，张龙舟

单位：云南大学

近年来，全球极端天气事件频发，对绿色清洁能源的需求日益迫切。金属-空气电池因其安全、可靠、零污染和可再生等特点而备受关注。目前对金属-空气电池的研究报道越来越多，特别是在辅助医疗器械和柔性可穿戴领域。锌空气电池(ZAB)是金属-空气电池大家庭中的一种，具有1086 Wh kg^-1的理论能量密度和820 mAh gzn^-1的理论比容量等优秀的特点，有望成为传统电池的替代品。然而，凝胶电解质作为准固态电池系统的核心组件，其发展仍然面临着几个持续的挑战:(1)电解质过早蒸发和水分流失，(2)与液体电解质相比离子电导率低，(3)界面相容性不足，(4)力学性能和柔韧性不足。这些问题阻碍了柔性锌空气电池(FZAB)的迅速商业化。而良好的保水性、高离子导电性以及抗弯曲和抗拉伸是开发高性能柔性电池的必要先决条件。

近日，云南大学杨浩等人就层状氢氧化物在凝胶电解质-柔性锌空电池中的应用展开研究，在国际知名期刊 Advanced Functional Materials发表题为“Janus Grotthuss-Vehicle Mechanism Enhances Fast OH- Transport for Ultralong Lifetime Flexible Zinc–Air Battery”的文章。该研究提出了一种 Janus 策略，通过在凝胶孔中组装双网络凝胶和 LDH（层状双氢氧化物），将 Grotthuss 和 Vehicle 机制结合起来，用于凝胶中 OH^- 的传输。该凝胶可以承受530%的应变和0.19 MPa的应力而没有明显的塑性变形，所制备的电池具有145.93 mS cm^-1 的高离子电导率和超过160 h的长寿命。进一步的模拟表明，Grotthuss 机制在离子传输中起着决定性作用，有助于快速 OH ^-传输和高效的柔性锌空气电池。

拉伸试验表明，CMC和LDH的存在增强了电解质的机械强度。LDH/CMC/PAM电解质仍能保持530%的应变和0.19 MPa的应力，溶胀后不会发生明显的塑性变形。复合凝胶力学性能提高的原因可归因于两种类型的机械增强的存在。一是PAM与CMC交联形成双网络互穿结构。另一种是LDH中的金属离子Al³⁺浸入PAM中，与OH^-配位形成多核羟基桥配合物。

阶梯放电测试表明，LDH/CMC/PAM组合电池在不同电流密度区间的放电能力最佳。特别是，在电流密度为10 mA cm^-2时，LDH/CMC/PAM电池的放电电压保持在1.22 V，超过了另外两种电池的放电电压分别为1.20 V和1.19 V。此外，在快速充电恢复时，观察到最小的电压衰减。LDH/CMC/PAM电池开路电压达到1.45 V，有效缓解自放电，提高储能效率和可靠性。智能手表可以由该凝胶组装的尺寸为5x1x0.15 cm的FZAB 供电，软包电池可以无缝地安装在表带上使用。

对电解质中的电场和浓度梯度进行了COMSOL模拟。OH-浓度稳定1小时后，从4M边界浓度开始迅速上升。LDH/CMC/PAM凝胶、CMC/PAM凝胶和PAM凝胶阴极侧OH^-浓度分别达到4.05 M、4.17 M和5.01 M，表明LDH/CMC/PAM从阴极到阳极的OH^-传输速度快，不仅平衡了OH-浓度梯度，而且有利于整体反应。相反，过量的OH-积聚在PAM的阴极上，必然会影响反应的平衡，从而减慢整个反应的速度。考虑到在三元复合凝胶中，不仅双网络结构提供离子传递通道，而且Co/Al LDH也加速离子传导，最终构筑了Grotthuss-Vehicle阴离子传输路径。

Janus Grotthuss-Vehicle Mechanism Enhances Fast OH−Transport for Ultralong Lifetime Flexible Zinc–Air Battery

胡万彪研究员简介：国家“海外高层次人才引进计划”青年人才，云南大学材料与能源学院研究员，云南大学电子材料与器件研究团队负责人，云南省高校高性能阻容感材料与器件重点实验室主任。主要从事电容介质与器件开发，电磁薄膜、纳米基电学和固态储能材料研究，解决信息和能量存储领域科学和技术问题。主持国家自然科学基金3项、云南省重点研发计划项目1项，参与国家重点研发计划和国家自然科学基金-云南省联合基金等项目2项。在电磁材料研究领域发表Nature Materials，ACS Nano，Advanced Functional Materials，Advanced Energy Materials等论文60余篇，授权发明专利4项。

张龙舟副研究员简介：云南省“兴滇英才”海外高层次引进人才，云南大学“东陆学者”青年人才，云南大学材料与能源学院副研究员。长期从事电化学以及电子显微学研究，以第一作者或通讯作者身份在Nature Catalysis, Chem, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials等期刊发表论文20余篇，被引用4000余次。兼职担任中国材料研究学会青年工作委员会理事，智利共和国科技部FONDECYT项目评审化学2组外籍专家，英国皇家化学会注册审稿人。主持国家自然科学基金2项，各类省部级项目3项。