吉大王晓峰教授Small：通过具有分子锚的多功能凝胶电解质实现定向锌沉积

第一作者：许雨婷

通讯作者：曾宪祥，王晓峰

第一单位：吉林大学

近年来，水系锌离子电池以其高安全性、低成本和高体积容量成为电化学储能领域的研究热点。然而，电化学反应过程中电场的不均匀分布导致Zn²⁺离子流在Zn负极表面局部区域聚集形成枝晶。同时由于水分子的高活性导致的析氢反应不可逆地消耗了电极材料和电解质，降低了电池的寿命和库仑效率。这些挑战严重阻碍了水系锌离子电池的进一步发展。

基于此，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室王晓峰教授团队，在国际权威期刊Small上发表题为“Preferred Orientation Deposition via Multifunctional Gel Electrolyte with Molecular Anchor enabling Highly Reversible Zn Anode”的研究论文。吉林大学物理学院博士研究生许雨婷为本文第一作者。该工作利用壳聚糖和叶绿素衍生物(Chl)天然生物材料设计了一种具有多重分子锚的新型凝胶电解质（CGC凝胶电解质）。结合实验结果和第一性原理计算发现，CGC凝胶电解质通过三元氢键牢固地锚定了水分子，降低了水分子的活性，有效抑制了析氢反应。同时，多重带电官能团实现了锌离子的梯度诱导和再分配，引导Zn定向（002）面沉积，获得了无枝晶锌负极。因此，该凝胶电解质展现了1700 h的长循环寿命和99.4%的库伦效率。以0.5 A g^-1在Zn||V₂O₅全电池中循环600圈后获得了81.7%的容量保持率，同时在软包电池中也展现了一定的柔韧性。该凝胶电解质策略为实现高度可逆锌负极提供了理论参考。

通过LSV测试，CGC凝胶电解质使电池的电化学稳定窗口拓宽至2.3 V，析氢电位也从-0.10 V降至-0.19 V。从光学照片可以看出，在液体电解液中循环后的隔膜上留下了大量不均匀沉积的锌。同时，由于析氢反应的产气导致电池在电化学反应过程中被炸开。相比之下，循环后的凝胶电解质仍然保持其完整性和柔韧性，电池也没有出现鼓包，验证了CGC凝胶电解质对水分子活性和析氢反应的抑制作用。

使用CGC凝胶电解质的Zn||Zn对称电池具有超过1700 h的超高循环寿命。SEM图像显示，GCC凝胶电解质的负极呈现出光滑平整的表面，而液体电解质的负极表面形成了大量垂直于平面的枝晶形貌。

对循环后的锌负极进行了XRD测试，只有液体电解质的负极表面出现了碱式硫酸锌的衍射峰，同时CGC凝胶电解质展现出的I002/I100值是液体电解质的2.2倍。表明CGC凝胶电解质更倾向于诱导Zn²⁺离子沿Zn(002)晶面沉积，抑制了锌枝晶的生长和副反应，获得了平滑的沉积表面。此外，通过DFT计算证明了CGC凝胶电解质中的多重带电官能团能促进对锌离子的梯度诱导和再分配。

与液体电解质相比，CGC凝胶电解质的Zn||V₂O₅全电池的倍率性能和长循环性能有了显著提升。此外，通过对软包电池进行不同程度的弯折电池也能保持正常工作，证明了CGC凝胶电解质在可穿戴设备上应用的可行性。

Preferred Orientation Deposition via Multifunctional Gel Electrolyte with Molecular Anchor Enabling Highly Reversible Zn Anode

王晓峰 教授简介：吉林大学物理学院教授，博士生导师。主要从事新型能源转换及储存相关的研究。王晓峰教授多次作为项目负责人主持了中国及日本国家自然科学基金层次的科研项目，其中包括2011-2014年度日本学术振兴会JSPS科研费若手A类；2008-2010年度日本文部科学省MEXT科研费若手B类；以及2007年度日本学术振兴机构JST先进技术萌芽研究助成金等。现主持在研2016-2019及2020-2023年度国家自然科学基金面上项目2项，吉林省自然科学基金项目1项，企业横向课题1项。至今共发表了包括Energy & Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., ACS Energy Lett., Adv. Func. Mater., Chem. Comm., Nano-Micro Lett., Adv. Mater., J. Phys. Chem. C., Langmuir, J. Mater. Chem. A，ACS App. Mater. & Interfaces, J. Power Sources, ChemSusChem, Biosens. Bioelectron., Appl. Phys. Lett.等知名杂志在内的SCI论文100余篇。另外著有斯普林格，CRC Press, Elsevier等国外出版社专著各一章，获得已授权日本专利2项及中国发明专利多项。

许雨婷，吉林大学物理学院博士研究生。主要研究方向：锂离子电池及锌二次电池关键材料

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