锂离子电池的发展一直受到锂资源成本高和热失控问题的制约。近年来，锌基水溶液电池(AZBs)因其优异的安全性、较高的理论容量(820 mAh g^-1, 5855 mAh cm^-3)、丰富的储量、适宜的氧化还原电位(相对于标准氢电极(SHE) -0.76 V)和较低的成本而受到研究人员的青睐。不幸的是，在电镀/剥离过程中，不规则的Zn沉积导致刚性枝晶的形成，加剧了活性位点分布的不均匀，容易使分离器更容易被刺穿，从而导致短路。而且，当电解质溶液中只有水作为溶剂时，H₂O继续不可逆地消耗电子，在阳极表面产生氢气，最终使整个电池的库仑效率(CE)和循环寿命恶化。

  为了解决与AZBs相关的挑战，人们提出了各种方法，如界面工程、隔膜优化和电解质修饰。水凝胶电解质(HE)作为一种电解质材料，由于其固有的准固体物理状态、稳定的网络结构和抑制水运动的特性，被认为可同时解决电池漏液和锌金属阳极可逆性差问题的选择之一。水凝胶中的官能团可以改变其内部结构，从而调节其物理化学性质，并赋予其特殊的品质，如自粘附、热自保护和自修复。此外，HE具有柔软湿润的性质，保证了与电极表面的良好相容性，并具有有效防止活性物质溶解的能力。此外，优越的生物相容性和透气性使水凝胶能够无缝连接人体组织和不同的刚性设备。由于这些优点，锌基水凝胶电池具有广泛的应用前景。

  然而，在水凝胶电解质的实际应用中存在两个主要挑战。一方面，尽管水凝胶具有独特的三维孔隙结构和界面相容性，有利于离子传输和降低界面阻抗，但官能团诱导Zn²⁺在优势晶面优先沉积的能力仍然存在局限性。另一方面，相当一部分水分子在低于0 ℃的温度下容易发生分子间氢键。这导致水凝胶电解质凝固成冰状状态，进一步降低离子电导率，并显著降低抗挤压和弯曲等恶劣条件的疲劳性能，最终导致凝胶电池在低温下容易失效。因此，迫切需要创造一种既能有效提高电解质离子定向输运性，又能同时增强其抗冻性和力学性能的方法。

图 1 凝胶电解质的表征

图2 基于凝胶电解质的Zn||Zn对称电池性能图

图 3 Zn阳极在电解质中的表征及作用机制研究

图4 Zn阳极在电解质中循环后的表征及理论计算

图5 Zn||MnO₂凝胶全电池的电化学性能及滥用条件下的器件性能 

图6 Zn||MnO₂凝胶全电池在低温条件下的电化学性能 

  添加DMF后可以有效的打破H₂O-H₂O之间的氢键，通过调控混合溶剂组成可获得在-30度不冻结的凝胶电解质。以PZD-30%作为电解质组装的Zn||Zn对称电池和Zn||MnO₂全电池展现出最优的低温循环稳定性。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202312116

近期课题组关于宽温域电极及电解质的相关成果：

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[2] C. Lin, L. He, P. Xiong*, H. Lin, W. Lai, X. Yang, F. Xiao, X. Sun, Q. Qian, S. Liu, Q. Chen*S. Kaskel, and L. Zeng*, Adaptive ionization-induced tunable electric double layer for practical Zn-metal batteries over wide-range pH and temperature, ACS Nano, 2023, 17, 23181-23193.

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[5] J. Zhang, C. Lin, L. Zeng*, H. Lin, L. He, F. Xiao, L. Luo, P. Xiong*, X. Yang, Q. Chen*, Q. Qian*, A hydrogel electrolyte with high adaptability over a wide temperature range and mechanical stress for long-life flexible zinc-ion batteries, Small, 2024, DOI: 10.1002/smll.202312116.

[6] P. Xiong, Y. Zhang, J. Zhang, S. H. Baek, L. Zeng, Y. Yao, H. S. Park*, Recent progress of artificial interfacial layers in aqueous Zn metal batteries, EnergyChem, 2022, 4, 100076. (Invited Review)

[7] L. He, C. Lin, P. Xiong*, H. Lin, W. Lai, J. Zhang, F. Xiao*, L. Xiao, Q. Qian, Q. Chen, L. Zeng*, Progress in electrolyte engineering of aqueous batteries in a wide temperature range, Trans. Tianjin Univ., 2023, 29, 321-346. (Invited Review)

[8] P. Xiong, C. Lin, Y. Wei, J. Kim, G. Jang, K. Dai, L. Zeng, S. Huang, S. Kwon, S. Lee*, H. Park*, Charge-transfer complex-based artificial layers for stable and efficient Zn metal anodes, ACS Energy Lett. 2023, 8, 2718-2727.

[9] Z. Yuan, F. Xiao, Y. Fang, P. Xiong, X. Sun*, X. Duan, X. Yang*, H. Fan, M. Wei, Q. Qian, Q. Chen,L. Zeng*, Defect engineering on VO₂(B) nanoleaves/graphene oxide for the high performance of cathodes of zinc-ion batteries with a wide temperature range, J. Power Sources, 2023, 559, 232688.

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