清华深研院/先进院AM：坚韧明胶基水凝胶助力锌金属电池

水系锌金属电池因其低成本和高安全性等优势，是下一代储能技术有力竞争者。然而，由于锌金属侧热力学不稳定性严重影响了水系锌金属电池的循环寿命。另外，锌电极/电解质界面存在不均匀的电场和“尖端”效应会造成不可控锌枝晶生长，最终导致器件短路。

在此，清华大学深圳国际研究生院李宝华，中国科学院深圳先进技术研究院韩翠平等人提出一种基于明胶/氧化葡聚糖/甲基丙烯酸酐的水凝胶电解质(ODGelMA)。该电解质以高缠结的明胶高分子为聚合物骨架，通过氨基(明胶)和醛基(氧化葡萄糖)的席夫碱反应进行化学交联形成动态亚胺键，再引入甲基丙烯酸酐(MA)进行酰胺化交联反应，最终获得化学交联和缠结叠加的多重网络凝胶电解质。

结果显示，所制备的ODGelMA水凝胶具有较高的机械性能(6.8 MPa的拉伸强度)和高离子电导率(3.68 mS cm⁻¹)。研究表明，ODGelMA水凝胶不仅能调控锌沉积行为抑制枝晶生长，而且还呈现出一种可调控的储锌框架，加速锌电极表面锌离子的溶剂化过程。

得益于水凝胶的高缠结结构和化学交联强化，锌负极经过500次循环后平均库伦效率高达99.8%，在5 mA cm⁻² 的电流密度和2.5 mAh cm⁻²的沉积容量下能稳定循环900小时，Zn||I₂全电池在5C下经过10000次循环后容量保持率高达92.4%，60 mAh单层锌离子软包电池能稳定工作350圈。

图1. ODGelMA水凝胶电解质的制备过程示意图

总之，该工作提出了一种明胶基聚合物水凝胶ODGelMA。ODGelMA水凝胶呈现出快速的脱溶行为、高的Zn²⁺扩散动力学和离子电导率。由于ODGelMA水凝胶具有高缠结和化学交联的多重网络结构，使其表现出较高的韧性和机械强度，这将有利于提高水凝胶在电池循环过程中的稳定性。

此外，ODGelMA水凝胶电解质能有效地调控电极/电解质间的界面，从而抑制锌金属负极表面的枝晶生长和副反应的发生。因此，ODGelMA水凝胶电解质能有效提高锌电极的稳定性和锌离子的可逆性。同时，组装的Zn||ODGelMA||I₂全电池在5C的电流密度下经过10000次的循环后放电容量仍高达92.4%，组装的软包电池在5 mA cm⁻²的电流密度下初始放电容量为60 mAh，经过350次循环后容量保持率约为96.7%。

因此，该工作不仅为实现高稳定性的锌离子储能系统提供了一种新的水凝胶设计制备策略，而且为高机械强度和离子电导率的水凝胶设计提供了新思路和新方法。

图2. Zn||I₂全电池的电化学性能测试

Entanglement Added to Cross‐linked Chains Enables Tough Gelatin‐based Hydrogel for Zn Metal Batteries, Advanced Materials 2024 DOI: 10.1002/adma.202403214

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清华深研院/先进院AM：坚韧明胶基水凝胶助力锌金属电池

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