方国赵教授、潘安强教授， ACS Energy Letters观点：高缠连水凝胶通过界面限域效应实现稳定的锌金属电池

第一作者：何琼

通讯作者：方国赵*，潘安强*

单位：中南大学，新疆大学

将高安全性、低成本、可持续的水系锌金属电池（ZMBs）与特殊的社会场景（如电网和可穿戴电池）相结合被认为具有重要意义。然而，活性锌金属负极和含水电解液界面之间不可避免的寄生反应会使电池的使用寿命大大缩短。水凝胶电解质的使用被认为是解决这一问题的有效策略。水凝胶电解质的实际应用需要良好的断裂韧性、高离子电导率和低滞后。然而，开发一种平衡机械性能、离子导电率和界面稳定性的凝胶电解质是极具挑战性的。在这项工作中，我们旨在解决水凝胶电解质固有的棘手问题：刚度-韧性冲突，离子电导率和机械性能之间的权衡，以及界面适应性。我们重点研究了水凝胶电解质微观结构和电化学性能之间的关键科学联系，并为构建先进的水凝胶电解质以制造实用的柔性耐磨 ZMBs提供启发性见解。

近日，中南大学、新疆大学的潘安强教授与中南大学的方国赵教授合作在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Highly Entangled Hydrogel Enables Stable Zinc Metal Batteries via Interfacial Confinement Effect”研究论文。该文章通过优化高缠连弹性链的可逆构象，解决了刚度-韧性冲突，打破了离子电导率和机械强度之间的权衡，实现了显著的机械性能（446 kPa拉伸强度）和高离子电导率（3.93 mS cm^-1）。此外，在高缠连水凝胶的限域效应下靶向调控界面电化学行为，在负极表面获得动态稳定的非枝晶平面形态。因此，采用这种电解质的锌负极在0.5 mA cm^-2下表现出6000 h的长期循环稳定性，在68.4%的放电深度下循环超过220 h。这项工作为实用的高性能耐磨锌锰电池提供了重要的先进技术手段。

高缠连水凝胶电解质（W2HE）具有高盐吸收率和高孔隙互连性，大量离子不仅在液体介质中进行物理传输，还通过在聚合物链中形成的扩散通道进行迁移。聚合物链上的路易斯碱性基团可以与锌离子配位。随着聚合物链的移动和电场的作用，阳离子经历连续的配位—解耦—配位，从而实现聚合物内的连续迁移。此外，官能团（-CONH₂）的亲水性大大降低了锌离子的迁移屏障。具有致密孔的W2HE的电导率为3.93 mS cm^-1，与液体电解质的电导率（5.28 mS cm^-1）相当。同时，这种高度缠结的拓扑结构可以打破离子电导率和机械强度之间的平衡，同时获得高的离子电导率和优异的机械强度。

结合Lake-Thomas模型，这种织物拓扑结构通过其长而丰富的节能链、密集的缠结连接和聚合物弹性链中的可逆构象变化来解决刚度-韧性冲突。缠结可以作为额外的交联剂，通过滑动连接来承受更大的变形（350%的伸长率），避免脆化。长而密的聚合物链和令人满意的张力传递机制促进了多个聚合物链的同时硬化和断裂，从而产生高机械强度（446 kPa）和弹性模量（128 kPa）。此外，依靠聚合物的长弹性链和可逆耗散机制可以维持聚合物网络结构，实现聚合物的可逆构象变化（高弹性）。因此，缠结水凝胶电解质可以克服刚度-韧性冲突，实现高韧性、高强度和低滞后的优异机械性能，这使它们具有用于柔性电子器件的巨大潜力。

所设计的具有密集极性官能团的高缠连水凝胶结构具有高的热力学稳定性和锌离子通量均化能力，有利于实现相容坚固的界面。有趣的是，我们发现高缠连水凝胶电解质对表面产物的形核生长具有限域作用：表面产物（羟基硫酸锌，ZHS）的颗粒倾向于生长成平行于锌基底的细小且均匀的薄片，并被经典成核理论和分子静电势计算合理化。COMSOL模拟和原位光学显微镜技术一起证明了在电化学过程中牢固的中间层可以协同地使电场均匀化并抑制锌枝晶的生长。也就是说，通过调节水凝胶电解质结构，可以将广泛认为不利的副产物原位优化成动态稳定的界面产物，而这在以往的报告中尚未见报道。

Highly Entangled Hydrogel Enables Stable Zinc Metal Batteries via Interfacial Confinement Effect

方国赵 教授简介：方国赵，中南大学特聘教授，博士生导师。主要从事锌离子电池、钠离子电池、锌锰二次电池关键电极材料开发、电解液调控及界面电化学等方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题、湖湘青年科技创新人才计划等基金。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater., Prog. Mater Sci., Natl. Sci. Rev., Sci. Bull.等期刊发表学术论文50余篇，曾入选ESI高被引论文、热点论文30余篇。入选科睿唯安2022年度（交叉学科）、2023年度（材料学科）“全球高被引科学家”。获评“中国百篇最具影响力国际学术论文”荣誉、湖南省优秀博士论文、eScinece杰出贡献奖、Adv. Powder Mater.杰出贡献奖。合著（排第二）在科学出版社出版专著《二次电池电极材料结构调控原理与应用》。

潘安强 教授简介：国家高层次青年人才，湖南省科技创新领军人才，中南大学升华学者特聘教授, 博士生导师, 材料物理系主任。教育部新世纪优秀人才，湖湘青年英才（科技创新类），湖南省自然科学基金“杰青”获得者。中国材料研究学会青年委员会第八、第九届理事，湖南省硅酸盐学会理事，主要研究方向包括高比能二次电池器件、超级电容器等。目前主持和参与了国家高层次人才项目、国家高新技术发展计划（863）项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目，湖南省科技创新领军人才，湖南省重点研发计划，湖南省自然科学基金杰出青年基金、教育部新世纪优秀人才等项目20余项；迄今为止在 Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett., Nano Energy., Energy Storage Mater.等国际期刊上发表论文180余篇，论文引用>13000次，H指数66。授权中国发明专利20余项。

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