近日，苏州大学能源学院的刘瑞远教授团队在《Small》期刊上发表题为“Hydrogel Electrolyte Enabled High-Performance Flexible Aqueous Zinc Ion Energy Storage Systems toward Wearable Electronics”的综述文章，第一作者是苏州大学能源学院的三年级本科生翁高、上海理工大学的杨先中博士、苏州大学能源学院的博士生王志气。可穿戴电子器件的发展带来了与之相匹配的柔性电源的需求。水系锌离子储能体系，主要包括锌离子电池和锌离子混合电容器，以其安全和廉价的突出优势是成为柔性化学电源合适的候选者。水凝胶由于其准固态的特征，兼具柔性和离子传导性，是柔性化学电源的理想电解质。该文章围绕水凝胶电解质的基本性质，稳定锌负极和正极的效果，功能性水凝胶电解质的设计三个方面，分析了水凝胶电解质在柔性锌离子储能体系的研究进展。此外，文章还阐述了柔性锌离子储能体系在可穿戴电子器件的应用，展望了未来的发展前景，为后续的相关研究指明方向。 

  作者首先阐述了水凝胶电解质的基本性质。作为电解质，首先最需要关注的是水凝胶电解质的机械性能，离子传输能力以及和锌负极的界面结合紧密性。机械性能主要包括拉伸强度，压缩强度和疲劳强度。离子传输能力则包括了离子导率和锌离子迁移数。与锌负极的紧密结合可以很好保证电解质/电极界面在形变时不会分离，避免了柔性储能体系因为形变所导致的电化学性能的衰减。通常水凝胶电解质与正极材料的结合由于更大的接触面积会更强，因此与锌负极的结合紧密性更需要加以关注。

  随后，对水凝胶电解质稳定锌负极和正极的效果方面进行了分析与总结。锌负极处由于表面形貌的不平整和较低的氧化还原电位，存在着枝晶生长和副反应的发生这两个问题，它们很大程度上限制了锌负极的可逆性。水凝胶电解质可以通过高模量机械抑制枝晶生长，调控锌离子流，诱导均匀成核，抑制活性水分子，诱导（002）晶面取向沉积，优化界面组成成分这六种途径来稳定锌负极。对于正极来说，相较锌离子混合电容器所常用的较为稳定的活性炭材料，锌离子电池的正极材料的稳定性更需要加以关注。针对锌离子电池正极材料，水凝胶电解质可以通过抑制活性水分子，同离子效应限制正极水解，优化界面组成成分这三种途径来提升正极处的稳定性。

  接下来对水凝胶电解质的功能性设计进行了分析。多功能的水凝胶电解质可以赋予柔性锌离子储能体系对于不同工作环境的适应能力，主要有低温耐受性，高温耐受性，高温自终止保护机制，自愈合能力，防水能力以及可持续可降解这六种特性。前五个方面囊括了绝大多数可穿戴电子设备的应用场合，而最后一点则聚焦于废弃的水凝胶电解质的处理上。
文章还对器件的结构和在可穿戴电子设备中的应用进行了分析。柔性锌离子储能体系的器件结构主要有薄片形和纤维形。薄片形柔性锌离子储能体系含有三明治结构和插指式结构，而纤维形柔性锌离子储能体系包括同轴结构，平行结构和缠绕结构。它们在可穿戴电子器件中的应用主要包括连接模式和集成模式。连接模式是第一阶段，将柔性电源与已有的器件连接以供电。集成模式是第二阶段，也将会成为未来的主流，此时柔性锌离子储能体系与其他元件组成一个一体化的系统并扮演着不可或缺的角色。

  最后，文章从以上几个方面指出了相应的问题和挑战，并对未来的发展方向进行了展望。 

  该工作是刘瑞远教授团队近期关于可穿戴能源材料与器件的最新进展之一。最近的五年中，团队聚焦于可穿戴电子器件的供电需求，开发了系列高效柔性能量捕获器件（Advanced Materials 2023, 35, 202305438；Advanced Energy Materials 2023, 13, 2204091；Nano Energy 2023, 106, 108081；Advanced Materials 2018, 30, 1705195；Advanced Materials 2018, 30, 1705918）和传感器件（Nano Energy 2022, 95, 106991；Nano Energy 2022, 95, 107056；Advanced Functional Materials 2018, 28, 1705808；Materials Today 2018, 21, 216）；面向从工作环境中获取能量用于器件运行的柔性自供电系统（Progress in Materials Science 2023, 138, 101156），团队也系统探索了集成发电和储能装置的柔性自充电电源（Nature Review Materials 2022, 7, 870; Advanced Energy Materials 2020, 10, 2000523）。

  原文链接：https://doi/10.1002/smll.202303949

  团队长期招聘博士后和科研助理，研究方向包括但不限于柔性能量捕获/传感器件、功能材料、可穿戴电子器件等，有意者请联系刘老师：ryliu@suda.edu.cn。

  刘瑞远教授课题组主页：http://flexible.energy.suda.edu.cn/main.htm

  下载：Hydrogel Electrolyte Enabled High-Performance Flexible Aqueous Zinc Ion Energy Storage Systems toward Wearable Electronics