山东大学冯金奎/青岛大学谭利文等《AFM》：用于先进锌离子电池的生物基聚合物凝胶电解质：进展与展望

摘要：近年来，锌离子电池因其超高的安全性、环境友好、高的理论体积容量以及丰富的自然储量等潜在优势而在众多可行的锂离子电池替代品中脱颖而出，受到了人们的广泛关注。但是同时也面临着诸多挑战：锌枝晶的不可控生长，锌负极的腐蚀，析氢、析氧等副反应。基于生物基聚合物的凝胶电解

近年来，锌离子电池因其超高的安全性、环境友好、高的理论体积容量以及丰富的自然储量等潜在优势而在众多可行的锂离子电池替代品中脱颖而出，受到了人们的广泛关注。但是同时也面临着诸多挑战：锌枝晶的不可控生长，锌负极的腐蚀，析氢、析氧等副反应。基于生物基聚合物的凝胶电解质具有丰富的官能团，能够有效抑制锌离子电池中的枝晶生长及副反应，提高锌离子电池的稳定性及使用寿命。特别是相比于难自然降解的化石原料基凝胶电解质，生物基聚合物凝胶电解质具有可生物降解、天然环保、原料易得等优点，得到了广大研究人员的关注。

近日，山东大学冯金奎教授与青岛大学谭利文副教授等综述了生物基聚合物凝胶电解质在水系锌离子电池中的研究进展，为生物基聚合物凝胶电解质的未来开发与应用提供参考。作者总结了生物基聚合物凝胶电解质的性质、合成方法及应用。首先，对生物基聚合物凝胶电解质进行了分类，并对其性质、结构进行了详细分析。其次，介绍了生物基凝胶电解质的物理/化学制备方法及原理。然后，总结了近几年生物基凝胶电解质在不同类型锌离子电池中的实际应用及作用机理。最后，对生物基凝胶电解质在锌离子电池中的应用前景及面临的挑战进行了展望。相关工作以“Improvements and Challenges of Hydrogel Polymer Electrolytes for Advanced Zinc Anodes in Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在《Advanced Functional Materials》。文章第一作者为青岛大学硕士研究生贾仁杰。

【文章解读】

1.锌离子用生物基聚合物凝胶电解质的研究背景

图1 (a) 凝胶电解质基ZIBs的结构示意图。(b) ZIBs凝胶电解质面临的挑战。Web of Science上以“(c) Gel electrolyte & Batteries、(d) Gel electrolyte & Zinc-ion battery”为关键词检索的发表文章数量和被引频次统计结果

图2 基于锌离子电池的生物聚合物基凝胶电解质概览

2.生物基聚合物凝胶电解质的分类和性质

2.1 生物聚合物基水凝胶电解质

图3基于壳聚糖、海藻酸盐、纤维素的锌离子电池凝胶电解质

图4 基于纤维素、琼脂糖、多肽的锌离子电池凝胶电解质

2.2生物聚合物基非水凝胶电解质

图5生物聚合物基非水凝胶电解质的结构及性能

3生物聚合物基水凝胶电解质的制备：物理/化学法

4.生物聚合物基凝胶电解质对锌离子电池副反应的抑制机理：HER/OER/腐蚀/钝化副反应。

图6 溶液浇铸法制备生物聚合物基凝胶电解质

图7 UV固化法、化学交联法制备生物聚合物基凝胶电解质

5.生物聚合物基凝胶电解质在不同类型锌离子电池中的应用：锰基-/钒基-/有机正极锌离子电池、锌-碘电池、锌-空电池

图8 MnO2正极的不同晶型以及用于Mn基锌离子电池的生物基聚合物凝胶电解质

图9 V2O5正极的不同晶型

图10 用于有机正极锌离子电池及锌-空气电池的生物聚合物基凝胶电解质

6.结论及展望

生物聚合物基凝胶电解质在锌离子电池中的应用面临的挑战及未来：

(1) 调节电极/电解质界面: 目前大部分凝胶电解质仅通过单一的物理作用和凝胶本身的机械强度来稳定电极/电解质界面，然而准固体/固体界面上的本质不相容性导致其难以有效抑制锌枝晶的生长。所以，通过凝胶电解质/电极界面的合理设计，抑制溶剂对电极的腐蚀，增加界面接触，保护电极结构，防止副反应发生，可能是解决或缓解电极/电解质界面问题的有效手段。

(2) 提高离子电导率：生物基聚合物材料具有丰富的官能团，可以促进离子的传输，但是相对于液体电解质，其中大部分材料的离子传输能力并不理想。电解质中离子的浓度、价态、半径大小、溶剂的多少、离子与溶剂的相互作用、生物聚合物链的性质等都会影响到生物基聚合物凝胶电解质的离子电导率。因此，对于新型生物基聚合物凝胶电解质的开发，尽可能的提高其离子电导率尤为重要。

(3) 提高机械性能：目前，很多研究表明生物聚合物基凝胶电解质的机械强度远高于传统的玻璃纤维隔膜。但是在实际应用中，锌电离子电池面临的使用环境更加复杂，这对凝胶电解质的机械强度提出了更高要求。此外，柔性电子器件的发展要求材料同时具备良好的柔韧性和高机械强度，并且能够保证在多次机械变形后仍然具有良好的电化学性能。这些对生物基聚合物凝胶电解质的制备和开发都形成了巨大的挑战。

(4)功能性生物基聚合物凝胶电解质的开发：展望未来发展，为了解决ZIBs所面临的各类问题，新型功能性生物基聚合物凝胶电解质的开发值得我们进一步探索。

(5) 简化制备过程：目前，生物基聚合物凝胶电解质的制备方法多样，不同种类生物基聚合物凝胶电解质的制备过程与方法不尽相同。要实现其产业化开发，并在未来应用于各个领域，就必须简化制备过程。在兼顾生物基聚合物凝胶电解质各类化学/物理性能的同时，使制备方法更加易于规模化、简单化和精细化，这是未来实现其应用必须要解决的一个难题。

(6) 材料的储存:目前研究的生物聚合物基凝胶电解质大部分以水为溶剂。在未组装成电池之前，这些凝胶电解质通常需要在普通低温下储存。而在超低温的情况下，大部分水凝胶电解质会被冻结，导致其电化学性能大幅度下降甚至使电池失效。因此，生物聚合物基凝胶电解质的储存方式需要进一步优化。