牛志强/刘丽丽AFM：耐-70℃的抗冻水凝胶电解质！

水系锌离子电池（ZIBs）由于其高安全性、生态友好性和低成本，被认为是有前途的柔性储能设备的候选者。然而，传统的柔性水系ZIBs在弯曲和零下温度状态下会出现严重的容量损失。

图1. 抗冻水凝胶电解质的示意图和机制

南开大学牛志强、天津理工大学刘丽丽等开发了一种基于四氟硼酸锌（Zn(BF₄)₂）和聚丙烯酰胺（PAM）的抗冻水凝胶电解质（Zn(BF₄)₂-PAM），来获得抗冻柔性ZIB。其中，PAM基体的三维网络结构确保了水凝胶电解质的优良机械性能和高离子传导性。

更重要的是，由于BF₄^–阴离子具有很强的吸电子特性，其引入会诱导水分子形成O-H···F。因此，在Zn(BF₄)₂-PAM水凝胶中，水分子之间的氢键可以被明显破坏，从而降低电解质的冰点。结果，这种抗冻水凝胶电解质在-70℃时仍表现出2.38mS cm^-1的高离子电导率。

图2. 不同浓度的ZnSO₄-PAM和Zn(BF4)₂-PAM水凝胶电解质的特性

因此，即使在-70℃，Zn//PANI电池也能提供非凡的电化学性能，如41%的高容量保持率和100次循环后100%的卓越循环容量保持率。此外，在将液体转化为水凝胶的聚合过程中，正极、隔膜和负极的成分可以被纳入Zn(BF4)₂-PAM水凝胶电解质中，实现一体化的一体式ZIBs。水凝胶电解质的优良机械性能和一体化配置赋予了抗冻ZIBs高度的柔韧性。

因此，即使在-70℃时，由此产生的ZIBs在不同的弯曲状态下也能保持稳定的电化学性能。这项工作将为水系ZIBs的应用铺平道路，并为构建超低温水系电池开辟新的机会。

图3. 机械变形和超低温条件下的抗冻柔性ZIB的模拟应用

An Anti-Freezing Hydrogel Electrolyte for Flexible Zinc-Ion Batteries Operating at −70 °C. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202214546