摘要：柔性及可穿戴电子设备的快速发展对储能器件提出了更高要求。可充锌离子电池(RZIBs)凭借安全性高、资源丰富、成本低和环境友好等优势，具有重要应用潜力。然而，其实际应用仍面临以下挑战：1)锌负极存在枝晶生长和副反应(如析氢和腐蚀)，可逆性差；2)传统氧化物正极(

综述背景

柔性及可穿戴电子设备的快速发展对储能器件提出了更高要求。可充锌离子电池(RZIBs)凭借安全性高、资源丰富、成本低和环境友好等优势，具有重要应用潜力。然而，其实际应用仍面临以下挑战：1)锌负极存在枝晶生长和副反应(如析氢和腐蚀)，可逆性差；2)传统氧化物正极(如V2O5和MnO2)易溶于电解液，导致性能衰减；3)电解液电压窗口窄，库伦效率低。柔性水凝胶电解质(HEs)为解决上述问题提供了可行方案。其独特优势体现在：1)结构特性：准固态网络结构可有效抑制锌枝晶生长，降低正极溶解；2)界面调控：通过官能团修饰电极界面，提升界面稳定性；3)水环境调控：束缚自由水分子，将电化学窗口拓宽至2.0 V以上；4)多功能集成：兼具电解质、隔膜和界面保护层功能，简化电池结构。然而，极端条件，如低温/高温环境、机械形变(拉伸、压缩、弯曲、扭曲)及破坏(切割、燃烧、浸泡)等，对HEs合理设计与功能调控提出了新的要求，需要系统地总结与讨论。

综述内容

近日，河北大学张宁教授联合香港城市大学洪果教授在国际知名期刊Nano-Micro Letters(IF=31.6)上发表了题为“Hydrogel Electrolytes‑Based Rechargeable Zinc‑Ion Batteries under Harsh Conditions”的综述论文。系统总结了HEs-RZIBs在极端条件下的材料基础、功能设计策略及未来发展方向，为高性能柔性储能器件的开发提供了重要指导。河北大学化学与材料科学学院沈照熙博士为该论文的第一作者，张宁教授与洪果教授为该论文共同通讯作者。

第一部分详细探讨了水凝胶电解质的种类特性、发展历程、研究进展及电解质-电极相容性：水凝胶聚合物主要分为天然类(如明胶、纤维素)与合成类(如聚丙烯酰胺PAM、聚乙烯醇PVA)；发展历程聚焦近十年基于水凝胶电解质的RZIBs从萌芽到蓬勃的研究报道；通过关键界面问题重点阐释了水凝胶与电极的相容性，包括抑制锌枝晶、析氢反应(HER)和正极溶解的解决方案。第二部分重点论述针对低温/高温环境、机械形变(拉伸、压缩、弯曲、扭曲)及极端破坏(切割、燃烧、浸泡)条件下的水凝胶电解质功能化设计策略，同时评述了RZIBs在这些严苛环境下的物理、化学与电化学性能表现。最后展望了水凝胶电解质在柔性可穿戴电子设备中的潜在应用，并提出了构建更优水凝胶基RZIBs的未来研究方向。

图文导读

图1. 基于HEs的RZIBs的优点(中心部分)及其抵抗各种极端条件(外环)的示意图。

图2. 天然水凝胶种类及其多维功能比较：明胶、瓜尔胶、黄原胶、纤维素、海藻酸钠和透明质酸；人工合成水凝胶种类及其多维功能比较：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚氧化聚乙烯、聚丙烯酸钠和甲基丙烯酸磺基甜菜碱。

图3. 基于HEs的RZIBs在2017~2024年的发展历史。

图4. HEs对正极/负极界面的影响：(a)抑制多碘化物的穿梭作用；(b) 防止活性物质的溶解；(c) 为正极提供质子；(d) 与Zn接触界面良好；(e) 避免了Zn枝晶的形成；(f) 减轻了Zn负极上的副反应及副产物。

图5. 基于HEs的RZIBs在极端温度下的设计策略。

图6. (a) 瓜尔胶的结构。(b) 瓜尔胶电解质基RZIBs在不同温度下的速率性能。(c) Zn2+-海藻酸盐HEs结构图。(d) Zn2+-海藻酸盐HEs组装的RZIBs在不同温度下的放电曲线，电流密度0.2 A g−1。(e) 可逆聚N-异丙基丙烯酰胺(PNI-PAM)溶胶-凝胶电解质的合成示意图。(f, g) 根据不同温度下PNI-PAM溶胶-凝胶电解质的放电曲线计算电池的比容量。(h, i) 双网络聚阴离子PAM-PAMPS-10PD水凝胶电解质的设计原理图及电池在100℃下的CV曲线。

图7. (a) 已报道的HEs对低温耐受范围及对应的离子电导率的总结。(b, c) PVA-硼砂-甘油杂化水凝胶基RZIBs的设计机理和EIS光谱，耐受温度范围−35~25℃。(d, e)以LiCl添加剂为电解质的PAM水凝胶在−20~25℃范围内的电化学性能。(f)−70℃下PAM水凝胶电解质的设计原理图。(g, h) AF水凝胶的设计原理及其在−20℃下良好的抗扭曲形变性能。

图8 (a) 已报道的HEs基RZIBs对宽温域适应性的汇总图。(b-d) −20~70℃范围内RZIBs中HEs的设计机理和性能。(e-g) 基于聚合物(PSIC)的HEs的制备原理(e)，分子结构(f)及其在−25~100℃的倍率性能(g)。(h) 由硼酸、甘油、壳聚糖和PAM组成的ZGBCP型HEs的成胶机理图；(i) 其在−50~100℃的宽温度范围内的充放电曲线，电流密度1 A g−1；(j) 在−40~50℃下ZGBCP电解质基RZIBs的循环倍率性能。(k) PAN/SiO2/聚乙烯氧化物/Zn(OTf)2 (PSPZ)的宽温HEs设计理论以及组装Zn/Zn半电池在(l) −25℃、(m) 25℃、(n) 60℃和(o) 80℃下的不同电化学性能。

图9. (a) HEs组装的电池抗应变示意图。(b) 超弹性水凝胶的珍珠项链网络结构。(c) 不同含水量水凝胶的应力-应变曲线。(d) 不同拉伸速率下水凝胶的应力-应变曲线。(e) 水凝胶在1500%应变下循环4次的应力-应变曲线。(f) AETC-25水凝胶拉伸至1500%的照片，以聚[2-(丙烯氧基)乙基]三甲基氯化铵(PAETC)为凝胶模型。

图10. (a) PAM/明胶水凝胶的制备工艺。(b) 指压下PVA水凝胶的压缩试验。(c) 软包式柔性RZIBs的结构示意图以及在不同破坏锤击试验(d)和自重载荷试验(e)下的电化学性能。(f) 基于Ur-SA型HEs-RZIBs的锤击安全性试验。(f) AF-凝胶在−20℃下压缩-恢复的弹性稳定性测试。

图11. 基于HEs的RZIBs的循环性能(a)及在不同机械变形条件下RZIBs供电湿度计的光学照片(b)。(c) RZIBs电池在不同弯曲角度下的比容量性能测试，−30℃及2A g−1条件下。(d) 在0~180°弯曲角度下，HEs基RZIBs比容量及库伦效率变化。(e) −70℃条件下，不同弯曲状态的柔性RZIBs的循环性能测试，电流密度50 mA g−1。

图12. (a) 自愈合水凝胶示意图：i) 内在自愈聚合物和ii) 外在自愈聚合物。(b) PSBMA水凝胶的切割/自愈合试验。(c) 通过嵌入在聚合物微胶囊中的愈合剂进行自修复的过程。(d) 基于羧基改性PVA水凝胶电解质基RZIBs的切割/自愈合试验。

图13. (a) 基于HEs基RZIBs的可充电及可穿戴智能纺织品示意图。(b) 多个RZIBs串联，为商用智能手表、脉冲传感器供电、智能鞋垫充电以支持产品正常工作。(c) 在−20至70℃范围内延长使用寿命的ZBL基RZIBs示意图。(d) 生物相容性Ur-SA基RZIBs的示意图：制备的Ur-SA水凝胶具有适用于柔性平面细胞的特性，并且Ur-SA作为传感器的优越生物相容性使得实时生理信号和人体运动检测成为可能，由Ur-SA基柔性平面细胞提供动力。(e) 三个串联的RZIBs可以为风扇供电，戴在手腕上时可以为手机充电。(f) 在−40至70℃下由三个软包电池串联供电的电子设备演示。

图14. (a) HEs基RZIBs的拟应用场景概念图示：集成了显示器和键盘的纺织品的通信工具。(b) 基于HEs的纱线型RZIBs的制作和封装示意图。(c)同轴式纤维RZIBs的制造过程示意图。(d) 基于多功能HEs的纤维状RZIBs的电池可穿戴电子应用设计。

图15. 基于HEs的RZIBs的六个未来发展方向：1.结构设计；2.表征与仿真；3.电极-电解质界面；4.在恶劣条件下的适应性；5.生物兼容性；6.能量储存。

致谢

这项工作得到了河北大学生命科学与绿色发展研究院、国家自然科学基金项目(22379038)、河北大学优秀青年科研创新团队等经费的资助和支持。

论文信息：

Zhaoxi Shen, Zicheng Zhai, Yu Liu, Xuewei Bao, Yuechong Zhu, Tong Zhang, Linsen Li, Guo Hong*, Ning Zhang*, Hydrogel Electrolytes‑Based Rechargeable Zinc‑Ion Batteries underHarsh Conditions, Nano-Micro Lett. (2025) 17:227.

来源：科学话你知