离子电导率达17.02 mS cm⁻¹！东北师范大学张宁/林琳&海南大学邱天宇，最新AM！

水系锌离子电池因锌金属负极的高理论比容量（约820 mAh g⁻¹）、低氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）以及本征安全性，在大规模储能领域展现出广阔的应用前景。然而，锌负极侧枝晶生长、析氢反应、电解液泄漏以及正极侧多碘化物穿梭效应等界面与传输问题，严重制约了水系锌碘电池的循环寿命与实用化进程。聚合物凝胶电解质虽能部分解决上述问题，但长期以来受困于力学强度与离子电导率之间的内在矛盾。

2026年7月25日，东北师范大学张宁教授、林琳、海南大学邱天宇副教授在《Advanced Materials》上发表了题为“Topological Crosslinker Design Regulates Interfacial and Active Species Transport in Zinc-Iodine Batteries”的研究论文。该团队提出了一种拓扑调控交联剂策略，将四臂聚（2-乙基-2-噁唑啉）（4-PEtOx）交联剂引入两性离子网络，通过一步光聚合法构筑了4-PVEX水凝胶电解质，将交联剂从被动结构组件转变为离子传输与界面化学的主动调控单元。

4-PEtOx通过阳离子开环聚合与季戊四醇四三氟甲磺酸酯引发剂合成，其四臂拓扑结构提供了密集交联位点以增强力学性能，同时丰富的酰胺基团与磺酸基团协同调控Zn²⁺溶剂化与传输。SAXS分析显示4-PVEX具有比二臂对照样更致密且互联的网络结构。Raman光谱表明4-PVEX中强氢键结合水的比例降至23%，远低于液体电解质的49%。该拓扑工程化网络通过重构水分子氢键环境实现了锁水效应，在环境条件下可保留86.3%的初始水分。力学测试显示4-PVEX拉伸应力超过150 kPa，是二臂对照样的三倍以上。关键的是，4-PVEX室温离子电导率达17.02 mS cm⁻¹，显著优于对照样。Arrhenius拟合显示Zn²⁺迁移活化能仅为11.4 kJ mol⁻¹，远低于对照样的19.1 kJ mol⁻¹。

DFT计算揭示4-PVEX中Zn²⁺的结合能达-5.69 eV，远强于PVIPS的-2.67 eV与水分子溶剂化作用。MD模拟进一步表明四臂拓扑结构使酰胺基团在Zn²⁺第一溶剂化壳层中的配位数达到0.16，约为二臂体系的两倍。这种多齿协同配位有效削弱了Zn²⁺-H₂O相互作用，从分子层面抑制了水诱导的副反应。在负极界面调控方面，DFT计算显示4-PVEX在Zn(002)晶面的吸附能达-1.54 eV，远强于水分子的-0.16 eV。差分电荷密度分析证实4-PVEX与Zn表面之间存在显著电荷转移，促进了界面电荷均匀化。XRD表明循环后Zn沉积逐渐演变为(002)择优取向。COMSOL模拟显示4-PVEX在电极界面维持高度均匀的电场与Zn²⁺浓度分布，消除了液体电解质中因表面突起导致的电场畸变与离子通量集中。KPFM与AFM力学测试进一步证实4-PVEX构筑了表面电位均匀、杨氏模量达23 GPa的力学鲁棒界面层。

针对多碘化物穿梭这一正极侧核心难题，H型电解池可视化实验表明，传统玻纤隔膜体系中多碘化物10分钟内即扩散至对侧，而4-PVEX体系静置4小时仍无颜色变化。UV-Vis光谱与XPS分析证实了4-PVEX对多碘化物的静电锚定作用。原位Raman在Zn||I₂电池循环过程中于锌负极界面未检测到任何多碘化物相关信号，而对照体系则出现强烈的I₃⁻与I₅⁻特征峰。DFT自由能计算表明4-PVEX中I₃⁻向I⁻转化的决速步能垒为-0.7569 eV，呈自发进行态势，而PVIPS体系中该步骤需克服0.2006 eV能垒。这一捕获-转化协同机制实现了多碘化物的原位锁定与快速转化。

基于上述综合优势，Zn||Zn对称电池在1 mA cm⁻²、0.5 mAh cm⁻²条件下稳定循环超过2700小时。Zn||Cu半电池在1000次循环中平均库仑效率达99.7%。Zn||I₂全电池在10C高倍率下经10000次循环后容量保持率达90%。软包电池在弯折状态下仍保持稳定充放电平台，串联器件可驱动LED面板稳定工作。

1、提出拓扑调控交联剂策略，将四臂聚噁唑啉交联剂引入两性离子网络，实现凝胶电解质力学强度与离子电导率的协同优化。

2、4-PVEX构筑了Zn²⁺迁移活化能仅11.4 kJ mol⁻¹的快离子通道，同时建立了力学鲁棒的界面保护层，Zn||Zn对称电池稳定循环超2700小时。

3、通过静电锚定与催化转化协同机制有效抑制多碘化物穿梭，Zn||I₂全电池在10C下经10000次循环容量保持率达90%。

示意图1 4-PVEX水凝胶电解质的设计策略及工作机制示意图

图1 拓扑调控的4-PVEX水凝胶电解质结构与离子传输特性

图2 Zn²⁺溶剂化结构与传输动力学

图3 4-PVEX电解质中锌沉积形貌与界面稳定性

图4 不同电解质中的循环耐久性与Zn沉积/剥离可逆性

图5 4-PVEX电解质实现的多尺度界面调控与Zn负极稳定机制

图6 4-PVEX电解质中多碘化物穿梭的抑制与催化转化机制

图7 采用4-PVEX电解质的Zn||I₂全电池的电化学性能

本研究通过拓扑调控交联剂设计，将四臂聚（2-乙基-2-噁唑啉）交联剂引入两性离子网络，构筑了兼具高力学强度与快离子传导的4-PVEX水凝胶电解质。该策略将交联剂从被动结构组件转变为离子传输与界面化学的主动调控单元，有效解耦了凝胶电解质中力学性能与离子传导之间的内在矛盾。4-PVEX同步实现了Zn²⁺溶剂化结构优化、界面电场均匀化、锌沉积形貌调控以及多碘化物穿梭抑制，使Zn||I₂全电池在10C下经10000次循环后容量保持率达90%。该工作揭示了分子拓扑结构作为凝胶电解质设计新维度的潜力，为水系金属电池的多功能电解质开发提供了可推广的范式。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.74282

文章来源：新能源前沿