江南大学魏取福教授团队，ESM：基于深共晶溶剂的凝胶聚合物电解质在柔性锌空气电池中实现无枝晶锌阳极

第一作者：刘轩靖

通讯作者：魏取福，张延安

单位：江南大学，复旦大学

随着可穿戴电子产品的蓬勃发展，柔性储能设备引起了人们的极大兴趣。柔性锌空气电池因其具有高理论能量密度、高安全性、低成本等优点，被认为是很有前途的储能器件。凝胶聚合物电解质作为柔性锌空气电池的重要组成部分，显著影响其电化学性能。由于传统凝胶聚合物电解质易失水和易腐蚀锌阳极的缺点，大大缩短了锌空气电池的工作时间。目前，本工作提出了一种环保、低成本的深共晶溶剂(DES)凝胶聚合物电解质，可获得宽的电化学窗口和优异的热力学和电化学稳定性，极大提高了电池的循环寿命。

近日，江南大学魏取福教授团队和复旦大学张延安博士合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Gel Polymer Electrolyte Based on Deep Eutectic Solvent in Flexible Zn-Air Batteries Enables Dendrite-free Zn Anode”的研究文章，江南大学纺织科学与工程学院硕士研究生刘轩靖为本文的第一作者。本研究开发了一种新型的乙酰胺(C₂H₅NO)/ZnCl₂/H₂O深共晶溶剂(DES)，引入PAA聚合物网络，一步合成了凝胶电解质(PAA-DES)。PAA-DES具有优异的电化学性能，组装的Zn||Zn对称电池在电镀/剥离反应后，其锌阳极的枝晶生长得到有效抑制。此外，PAA-DES优异的热力学稳定性提高了锌空气电池的使用时间，优异的粘附性能保证了电极材料与电解质的紧密结合，使得基于锌空气电池能够承受不同的变形条件。本研究为长寿命的柔性储能设备的发展提供了新的思路。

在共晶体系中，乙酰胺(C₂H₅NO)参与了Zn²⁺的溶剂化结构，其中O与Zn²⁺形成配位效应，导致C=O键伸长。随着ZnCl₂加入，混合物的熔化温度逐渐降低，说明C₂H₅NO与ZnCl₂之间存在较强的离子配位作用。通过分子动力学模拟(MDs)证明了Zn²⁺在深共晶溶剂中具有独特的溶剂化结构。最后，在三元共晶溶剂中加入丙烯酸(AA)通过紫外光辐照引发自由基聚合一步合成PAA-DES。

首次在没有聚合物网络的情况下测试了电解质的ESW。ZnCl₂水溶液的CV曲线与DES相似，表现出显著的氧化还原电流，由于C₂H₅NO的加入降低了电解质的离子电导率，所以DES具有与较低的电流密度。在-1.0 ~ 3.0 V范围内，C₂H₅NO/H₂O与H₂O没有明显的极化，说明C₂H₅NO能够稳定存在于电池的充放电反应中，不会参与电池的氧化还原反应。Zn在DES中具有较高的腐蚀电位（-0.866 V）和较低的腐蚀电流（0.406 mA/cm²），表明共晶电解质可为锌阳极提供一个高度稳定的环境。由于C₂H₅NO与ZnCl₂之间的配位作用有效抑制了循环过程中的副反应和枝晶生长，基于PAA-DES的Zn||Zn对称电池在电镀剥离50 h 后，锌电极表面平整无枝晶，XRD、EDS等结果也显示PAA-DES作用的锌极表面没有氧化物生成。

PAA-DES展示了出色的拉伸、扭转和恢复变形能力。良好的粘附性使得与电极材料之间紧密接触，有利于锌空气电池的结构稳定性。在开放环境下，良好的电解质保持率有利于改善凝胶电解质使用时间。PAA-DES中ZnCl₂与少量H₂O分子之间的强氢键作用限制了水分的蒸发。在25℃、60%湿度的环境下， PAA-DES处于平衡状态时，电解质保持率可达112%。干燥环境下， PAA-DES质量略微下降为94%，而在潮湿环境中甚至能吸收环境中的水分从而提高自身的离子电导率。

以Pt/C-RuO₂催化剂负载的碳布为空气阴极，锌箔为阳极，PAA-DES为凝胶电解质，组装“三明治”结构锌空气电池。由于共晶电解质的电导率低，基于PAA-DES的电池充放电过程动力学缓慢。此外，PAA-DES在放电过程中放电电压相对稳定，这与C₂H₅NO和ZnCl₂在PAA-DES中的稳定配位以及大分子骨架结构的良好稳定性有关。在0.1 mA/cm²的电流密度下，基于PAA-DES的柔性锌空气电池可以稳定循环900 h左右，因为PAA-DES可以有效地抑制锌阳极的腐蚀和枝晶生长，避免电池自放电过早失效。PAA-DES组装的锌空气电池在外力作用下仍具有良好的电化学稳定性和柔韧性，表明其在智能可穿戴领域具有一定的潜能。

Gel Polymer Electrolyte Based on Deep Eutectic Solvent in Flexible Zn-Air Batteries Enables Dendrite-free Zn Anode

魏取福教授简介：江南大学教授，博士研究生导师。现任江南大学生态纺织教育部重点实验室主任，入选教育部新世纪优秀人才、江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人和江苏省“六大高峰人才”计划。中国纺织工程学会理事，Textile Bioengineering and Informatics Society (TBIS) 国际执委会委员。研究成果获得教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖和中国商业联合会科学技术奖一等奖等。指导的博士研究生获得全国优秀博士论文提名奖、江苏省优秀博士论文等。先后主持承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项和教育部创新团队等国家（或省部级）项目及多项企业合作项目。近年来共发表SCI收录论文500多篇，主编英文学术专著2部，2020-2023连续四年爱思唯尔“中国高被引学者”。

张延安博士简介：2023年获得江南大学工学博士学位，现于复旦大学高分子科学系从事博士后研究。主要致力于水系纤维储能器件的基础和应用研究。迄今已发表SCI论文20余篇，他引680余次，其中以第一/通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Mater. Horiz.等国际权威学术期刊发表学术论文10篇。研究获得中国博士后科学基金、上海市超级博士后等项目的支持和资助。