水系锌碘电池安全性高、原料丰富、成本低，但受于锌负极失稳与多碘穿梭两大问题：锌负极易发生析氢、腐蚀与枝晶生长，可溶性多碘化物迁移会加剧锌腐蚀，加速电池性能衰减。水凝胶可通过设计官能团和三维网络调控离子输运、稳定锌负极，但其长期面临强度、离子电导与界面稳定性难以协同的矛盾：交联密则强度高但离子难传，交联疏则离子快传但强度不足。无机填料增强常因填料与基体的模量/极性失配导致相容性差，高填充量更会阻碍离子传输；Hofmeister效应虽可兼顾强度与离子电导，但依赖特定离子（如SO?2?），与锌盐兼容性差。此外，界面接触亦是难点：预成型凝胶贴合易产生界面间隙，原位凝胶化则存在溶胀与界面黏附衰减，难以维持长期界面粘附。综上，理想凝胶保护层需兼顾高强、高离子电导与凝胶–锌金属界面的长期稳定粘附。

  近日，广西大学化学化工学院李冬冬团队，联合中国科学院化学研究所赵宁研究员团队，设计了含动态二硫键的聚脲聚氨酯大分子交联剂，并与AA/AMPS在锌表面原位共聚交联，构筑PUMA水凝胶保护层。

  2026年10月24日，该工作以“Reusable and Robust Hydrogel With Dynamic Sacrificial S─S Bonds: In Situ Construction of an Integrated SEI/Hydrogel Interface for Highly Stable Zn–I₂ Batteries”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。通讯作者为广西大学李冬冬助理教授与中国科学院化学研究所赵宁研究员，黎鹏为第一作者。

  PUMA水凝胶硬段通过八重氢键和锌离子配位增强网络，软硬段微相分离则为柔性链段保留运动空间。富含羧基和磺酸基的聚阴离子软段则调节锌离子配位与迁移，同时排斥多碘化物，使同一高分子网络兼顾高力学强度与选择性、高效离子传输。

  更关键的是，界面是“长”出来，非“贴”上去：界面处的部分二硫键在循环中发生牺牲断裂，原位形成含ZnS的有机-无机复合固态电解质界面膜（SEI），将水凝胶与SEI化学“焊接”为一体化界面，显著提升增强凝胶与锌之间的结合稳定性。动态二硫键与多重氢键还可赋予凝胶热压再加工能力。

  该凝胶断裂强度达2.68 MPa，断裂应变约为640%，离子电导率为31.8 mS·cm^-1，锌离子迁移数达0.79。受保护的锌对称电池可稳定运行5080小时，锌碘全电池循环43000次后容量保持率为88%。

  该工作通过软硬段功能分区的精准分子结构设计，结合动态牺牲二硫键的原位界面转化，同步实现水凝胶高强度、离子电导与强界面稳定，突破三者长期难以兼顾的瓶颈，构建真正一体化的高性能锌界面。

大分子交联剂构筑动态高分子网络

图1 PUMA高分子网络及一体化SEI/水凝胶界面的分子设计示意图。

  研究团队在聚脲聚氨酯大分子交联剂PU-SS-HEMA中引入二硫键和末端双键，再与丙烯酸（AA）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）在锌表面原位共聚，形成厚约7.8 μm的PUMA水凝胶。硬段通过氢键与配位作用支撑网络，柔性链段提供离子传输位点，二硫键则将网络动态性与界面成膜联系起来。

微相分离与动态交联赋予强韧性

图2 PUMA的化学结构、微相分离、力学性能及氢键环境表征。

  红外、XPS及SAXD表征支持网络形成，并显示约11.4 nm的软硬段微相分离。硬段缔合区域承担载荷，柔性链段保留运动空间。在交联剂用量为单体质量的5%、AA/AMPS质量比为2∶1时，凝胶断裂强度达2.68 MPa，断裂应变约640%，70%压缩应变下的应力达6.45 MPa。

  多重氢键可通过解离与重组耗散能量，动态二硫键为受热后的网络重排提供条件。凝胶碎片在140 ℃、5 MPa下热压15分钟后可重新形成连续薄膜，体现了强韧交联网络的再加工潜力。

聚阴离子链段调节锌离子配位与传输

图3 不同高分子链段对锌离子配位、迁移和界面吸附的理论分析。

  理论计算表明，羧基和磺酸基与锌离子的结合能分别为?1.03和?1.08 eV，均比水分子的?0.24 eV更负，可通过竞争配位调节锌离子的溶剂化环境。软段中的迁移能垒为0.59 eV，低于硬段的0.82 eV。分子动力学模拟进一步显示，PUMA增加了锌表面附近的锌离子分布，并部分替代其配位水。这说明聚合物官能团与链段结构共同影响离子配位和传输。

动态二硫键参与原位界面成膜

图4 循环后界面膜的XPS深度分析、截面结构及物相表征。最上方连续覆盖层为FIB制样时沉积的碳保护层。

  靠近锌表面的部分二硫键在电化学过程中发生牺牲断裂，产生锌硫键相关物种，并与凝胶有机组分共同构成固态电解质界面膜（SEI）。这一过程使外层高分子网络与原位界面膜形成一体化结构，消除界面问题。

  循环后的XPS深度分析显示，随刻蚀加深，二硫键及碳硫键信号减弱，锌硫键信号增强。排除AMPS和含硫电解液的对照实验，也支持交联剂中的二硫键参与界面转化。截面电镜及物相分析进一步观察到连续界面膜，以及ZnO、ZnS和ZnCO₃相关纳米晶。

高分子网络调节界面反应与离子传输

图5 PUMA对界面副反应、离子传输和界面电荷分布的调节。

  电化学测试表明，PUMA可抑制析氢与腐蚀，并改善锌离子扩散及沉积行为。其离子电导率达31.8 mS·cm^-1，锌离子迁移数由0.42提高至0.79，说明固定在聚合物链上的阴离子位点有利于提高锌离子的传输贡献。表观界面活化能由41.2降至34.4 kJ·mol^-1，结合界面电荷重排的计算结果，支持该网络对传输和界面动力学的调节。

高分子保护层提升锌负极循环稳定性

图6 PUMA保护锌负极的倍率性能、长循环稳定性及锌铜半电池库仑效率。

  在1 mA·cm^-2、0.5 mAh·cm^-2下，PUMA保护的锌对称电池稳定运行5080小时；在10 mA·cm^-2、5 mAh·cm^-2下仍超过800小时。加入30小时开路静置后，间歇测试可维持超过1000小时。锌铜半电池在1 mA·cm^-2、0.5 mAh·cm^-2下循环超过4000次，平均库仑效率达99.64%。这些结果表明，高分子网络及原位形成的界面膜显著提升锌沉积与剥离的可逆性。

形貌与电场观察验证均匀锌沉积

图7 循环后锌沉积形貌、原位光学显微镜观察及COMSOL电场模拟。

  在10 mA·cm^-2、5 mAh·cm^-2下循环50次后，PUMA保护的锌表面比裸锌更平整。原位光学观察也显示，其尖端突起和枝晶生长受到抑制。COMSOL模拟中，保护层缓解了局部电场集中，与形貌结果相互印证，支持高分子层均匀锌离子通量的作用。

聚阴离子网络抑制穿梭并支持高负载全电池

图8 聚阴离子网络的多碘化物阻隔机制及锌碘全电池性能。

  聚阴离子链段可排斥带负电的多碘化物，减少其向锌表面迁移。渗透实验与光谱表征支持这一阻隔作用。充电后静置24小时，电池容量保持率为95.9%，高于裸锌对照的88.4%，体现出对穿梭和自放电的抑制。

  在5.48 mg·cm^-2碘负载、4 A·g^-1下，锌碘全电池循环43000次后容量保持率为88%；负载提高至16.58 mg·cm^-2后，在1 A·g?1下仍超过11000次。采用15 μm薄锌和23.5 mg·cm^-2碘负载，在负正极容量比2.6、1 A·g^-1下可循环超过2500次。软包电池在15 mg·cm^-2、0.5 A·g^-1下运行超过400次，显示了高负载条件下的应用潜力。比电流均按碘质量计算。

  该工作表明：将八重氢键、Zn2?配位与动态S─S键引入聚脲–聚氨酯水凝胶，并结合原位凝胶化及界面电化学还原，可在单一聚合物网络中同步实现机械增强、快速Zn2?传输与界面稳定化，构筑一体化SEI/凝胶界面。此外，多重氢键和动态二硫键支持网络再加工，聚阴离子链段调节锌离子配位并阻隔多碘化物。该策略为构建耐用、可重构的水凝胶–金属界面提供了可借鉴的分子工程路径，并展示了其在高稳定水系电池中的应用潜力。

  论文信息

  题目：Reusable and Robust Hydrogel With Dynamic Sacrificial S-S Bonds: In Situ Construction of an Integrated SEI/Hydrogel Interface for Highly Stable Zn–I? Batteries

  期刊：Angewandte Chemie International Edition, 2026, e7908002.

  https://doi.org/10.1002/anie.7908002