南林陈继章／南大姚亚刚／汪正平院士《AM》：全方位水凝胶电解质在锌锰电池中的应用

　　水系锌离子二次电池（AZIBs）由于其具有安全性高、成本低、能量密度和功率密度高、环境友好等优点，近年来引起了广泛的研究兴趣，特别是柔性AZIBs被认为是快速发展的可穿戴电子产日韩综艺品最有前途的电源之一。然而，当使用传统的液体电解质用于柔性AZIBs时，存在着严重的问题。第一，液体电解质在外界压力下会泄漏。第二，与液体电解质相关联的隔膜会在应变下从电极上分离。第三，当使用液体电解质时，阳极表面容易形成不规则、厚而尖锐的锌枝晶。第四，容易产生惰性副产物和发生析氢反应。第五，一些阴极材料会部分溶解在液体电解质中。这些因素将导致性能恶化甚至安全问题。因此，液体电解质不适用于柔性AZIBs。而水凝胶电解质的出现可以解决液体电解质所面临的上述问题。在实际应用中，柔性储能设备在日常使用中可能会出现较大的机械变形，包括弯曲、折叠、撞击、刺穿甚至撕裂等问题。因此，凝胶电解质除了具有高离子电导率的基本要求外，还应具有优异的柔韧性、高韧性、高强度、优异的弹性、良好的自愈能力和高附着力。水凝胶电解质本身可以很容易地获得良好的柔韧性和较大的断裂拉伸率，而大多数报道的用于AZIBs的自支撑水凝胶电解质仍然存在强度很低和缺乏自愈能力的问题。

　　鉴于此，南京林业大学陈继章教授和南京大学姚亚刚研究员和佐治亚理工学院的汪正平院士合作以棉花为原料，正硅酸乙酯为交联剂，甘油为防冻剂，设计了一种简便、经济的复合型水凝胶电解质的制备方法。组装后的电池表现出出色的循环稳定性，并在各种恶劣条件下也具有较高的耐久性。这项工作为水凝胶电解质的发展提供了新的机遇。

　　文章亮点：

　　1、所获得的水凝胶电解质具有高离子导电性、优异的机械性能（如高拉伸强度和弹性）、超低凝固点、良好的自愈合能力、高附着力和良好的耐热性。与之前报道的锌离子电池水电解质相比，这种水凝胶电解质在?40°C下可提供19.4 mS cm-1破纪录的高离子电导率。

　　2、该水凝胶电解质在?40℃至60℃时能显著抑制锌的枝晶生长和副反应的发生。使用这种水凝胶电解质，可组装出一种柔性准固态锌锰电池，其能量密度在?40℃至60℃之间显著。在-40、-20、20、60°C时的能量密度分别为67.0、82.6、87.8、105.3 mWh cm -3，在上述温度区间循环2000次后的容量保留率分别为83.8%、89.7%、99.2%、93.7%。

　　3、所获得的电池在承受较大的机械变形、密封在冰块中或浸泡在沸水中时也能正常工作，并能自愈，同时只牺牲一小部分容量。

　　图1 CT3G30水凝胶电解质的合成流程图

　　图2、用CT3G30水凝胶电解质组装电池后的电化学性能测试。

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007559

　　来源：高分子科学前沿

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