摘要：水系锌电池(ZBs)因其高理论容量(820 mAh g⁻¹)、本征安全性及低成本等优势，被视为大规模储能的理想候选。然而，尤其是高温环境(>40°C)下电解液稳定性不足严重制约其应用：传统水系电解液易因水分子高活性引发析氢反应(HER)、锌枝晶生长及正极材料溶

研究背景

水系锌电池(ZBs)因其高理论容量(820 mAh g⁻¹)、本征安全性及低成本等优势，被视为大规模储能的理想候选。然而，尤其是高温环境(>40°C)下电解液稳定性不足严重制约其应用：传统水系电解液易因水分子高活性引发析氢反应(HER)、锌枝晶生长及正极材料溶解等问题；而有机电解液虽拓宽温度窗口，却面临毒性、易燃性和低Zn²⁺溶解度等问题。水凝胶电解质虽兼具高离子电导率与机械柔性，但其高水含量(>60 wt%)仍无法满足高温下的应用。因此，如何通过分子设计降低水活性并维持高效离子传输，是实现锌电池宽温稳定运行的关键。

研究内容

鉴于此，香港城市大学支春义团队/深圳技术大学莫富年团队提出了一种新型水凝胶电解质设计策略：通过分子工程优化聚合物骨架的亲水性和柔性链段(聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯PMEM和N-羟乙基丙烯酰胺HEAA)，显著减少水含量(35 wt%)，同时维持高效的Zn²⁺传输。该设计在90°C下实现了99%的库仑效率(CE)，并展现了长循环稳定性(全电池在90°C下750次循环后容量保持率90%)。此外，电解质在宽电化学窗口(2.7 V@RT，2.1 V@90°C)和高离子电导率(3.9 mS/cm@RT)间取得平衡。

其成果以题为“Hydrogel electrolyte design for long-lifespan aqueous zinc batteries to realize a 99% Coulombic efficiency at 90°C”在国际知名期刊Joule上发表。

研究亮点

⭐水含量调控：通过分子工程将水含量降至35 wt%，结合强氢键网络，显著降低水活性，抑制高温下副反应。

⭐高离子电导率与宽电化学窗口：室温下离子电导率达3.9 mS/cm，电化学窗口扩展至2.7 V，高于传统水系电解液(

⭐长循环稳定性：Zn||Zn对称电池在90°C下稳定循环超1,000小时，Zn||Ti非对称电池在90°C下实现99%平均CE，全电池(Zn||Zn₀.₂₅V₂O₅·nH₂O)在90°C下750次循环容量保持率90%。

⭐溶剂化结构优化：分子动力学模拟表明，低水含量下Zn²⁺溶剂化壳层由柔性醚氧链(EO)主导，实现定向快速传输，突破传统“水主导”溶剂化限制。

⭐机械性能：水凝胶断裂强度达87 kPa(水含量35 wt%)，抑制枝晶。

⭐普适性：可推广至其他亲水性水凝胶体系(如PSBMA、PSPMA)以及不同正极体系，为高温适应性储能器件提供设计范式。

图1. 宽温下电解液稳定性对比与设计

(1) 传统液态电解质(2 M Zn(OTF)₂)和PAM水凝胶在90°C储存12小时后的锌箔表面形貌(SEM)对比。传统电解液中锌表面出现大量裂纹和松散片状结构，而HPG-35 wt%水凝胶中的锌表面平整致密；(2) 提出的水凝胶电解质(HPG)设计示意图，通过PMEM的柔性醚氧链(EO)与HEAA的强氢键协同作用，形成低自由水含量的三维交联网络；(3) 不同水含量电解质的离子电导率与电化学窗口(ESW)对比。HPG-35 wt%在室温下离子电导率达3.9 mS/cm，ESW扩展至2.7 V(传统液态电解质~1.9 V)，在90°C下仍保持2.1 V。结论：降低水含量有效抑制了水分活性和副反应，同时通过聚合物链的柔性传输维持高离子电导率，为高温稳定运行奠定基础。

图2. 锌负极循环稳定性

(1) Zn||Zn对称电池在室温和90°C下的长循环性能对比。HPG-35 wt%电解液在RT下稳定循环7,500小时，90°C下超1,000小时，极化电压仅轻微上升；(2) 循环后锌负极的SEM形貌：传统电解液(左)在90°C下出现大尺寸枝晶和孔洞，而HPG-35 wt%(右)表面光滑无缺陷；(3) 电化学阻抗谱(EIS)显示，HPG-35 wt%的界面阻抗在循环后变化微小。结论：低水含量水凝胶通过抑制副反应和枝晶生长，显著提升锌负极的宽温循环稳定性与界面相容性。

图3. 溶剂化结构与分子动力学模拟

(1) 分子动力学(MD)模拟显示不同水含量下Zn²⁺的溶剂化壳层结构：高水含量(65 wt%)时，Zn²⁺主要与水分子配位(配位数5.27)，而低水含量(35 wt%)时，Zn²⁺与PMEM的醚氧链(EO)配位占主导(配位数6.40)，水分子配位数降至0.53；(2) 醚氧链(EO)与水的氢键作用(RDF峰位于2.6 Å)，表明聚合物网络通过氢键固定水分子，减少水迁移。结论：低水含量下Zn²⁺的“EO主导”溶剂化结构降低了水活性，同时通过柔性聚合物链的协同作用实现高效离子传输，改进了传统水合离子的传输机制。

图4. 水稳定性表征

(1) 低场核磁共振(LF-NMR)显示不同水含量电解质的横向弛豫时间(T₂)。HPG-35 wt%的T₂峰位于0.1-100 ms(结合水为主)，而传统电解液和高水含量水凝胶(65 wt%)的T₂峰位于100-2,200 ms(自由水为主)；(2) 变温拉曼光谱表明，HPG-35 wt%在30-90°C范围内O-H伸缩振动峰(~3,420 cm⁻¹)保持稳定，而传统电解液出现蓝移(~3,600 cm⁻¹)，表明其氢键网络受热改变；(3) 差示扫描量热(DSC)曲线显示，HPG-35 wt%无自由水冰点，玻璃化转变温度(Tg)为-68°C。结论：水凝胶通过强氢键和少水机制将水分子束缚，减少自由水分子，显著提升高温稳定性。

图5. 全电池性能

(1) Zn||Zn₀.₂₅V₂O₅·nH₂O(ZVO)全电池在0.1-1.0 A/g电流密度下的充放电曲线；(2) 90°C下全电池循环750次后容量保持率90%，CE始终接近100%；(3) 软包电池在90°C下循环300次无膨胀，电极界面保持完整(SEM)；(4) 对比其他文献报道的高温水系电池性能，HPG-35 wt%在循环寿命和运行温度上均显著领先。结论：该水凝胶电解质不仅提升锌负极稳定性，还抑制正极材料(如ZVO)的溶解和结构坍塌，为高温环境下安全储能提供了可行方案。

研究结论

本研究通过分子工程设计了一种低水含量水凝胶电解质，实现了高温下水系锌电池的稳定性。该电解质在90°C下实现99%库仑效率和长循环寿命，为极端环境下的安全储能提供了新思路。未来工作可进一步探索电解质在低温(如-20°C)下的性能优化，以及与其他正极材料(如卤素、普鲁士蓝类似物)的兼容性，推动水系锌电池在电网储能和可穿戴设备中的实际应用。

文献信息

Yanbo Wang, Bochun Liang, Dedi Li, Yiqiao Wang, Chuan Li, Huilin Cui, Rong Zhang, Shuo Yang, Ze Chen, Qing Li, Funian Mo,* Jun Fan and Chunyi Zhi*. Hydrogel electrolyte design for long-lifespan aqueous zinc batteries to realize a 99% Coulombic efficiency at 90°C. Joule.

来源：科学的十分