中南潘安强Nano-Micro Lett.：引入水合两性离子实现高性能水凝胶电解质

水系锌金属电池以其成本效益、安全性和环境友好性而著称。然而，水致电解液连续分解和锌电化学沉积不均匀等臭名昭著的问题显著限制了长寿命锌金属电池的发展（ZMBs）。

中南大学潘安强等引入甜菜碱型两性离子单体3-((2-(甲基丙烯酰氧基)乙基)二甲基铵)丙烷-1-磺酸盐(DMAPS)与丙烯酰胺(AM)在高氯酸锌(Zn(ClO₄)₂)溶液中共聚，以进一步提高水凝胶电解质的电化学性能。

图1 电解质设计及表征

由于水凝胶电解质中的两性离子性质和带电基团的高水合能力，离子可以很容易地与反离子分离，从而加速离子迁移并提高倍率性能。同时，水凝胶电解质具有高保水性；由于亲水基团和水分子之间的相互作用、氢相互作用和“两性离子融合”，分别具有一定程度的自愈和机械性能。此外，聚两性离子链中固有的亲水基团和带电基团可以引导锌离子的均匀传输，从而促使无枝晶沉积。

更重要的是，用Zn(ClO₄)₂盐代替常规使用的ZnSO₄有助于在Zn金属上原位形成含Cl-绝缘层，从而使ZMBs具有低极化和超长循环寿命。因此，所设计的含有Zn(ClO₄)₂盐的凝胶电解质（ADC-gel）继承了两性离子共聚物和所选盐溶液的优势，协同构建了相容的复合准SEI层，为ZMB的耐腐蚀性和高循环可逆性铺平了道路。

图2 半电池性能

研究显示，这种新颖的电解质配置使Zn//Zn电池具有超过3000小时的超长循环寿命和低极化电位（~ 0.03 V），Zn//Cu电池在1000次循环中具有99.18%的高库仑效率。与MnO₂正极匹配的全电池可提供350 mAh g^-1的高容量，并保持100多次循环而没有明显的容量衰减。

此外，具有防破坏能力（如切割、锤击和浸泡）的柔性准固态电池可以成功地为LED供电。这种安全、可加工和耐用的水凝胶为长寿命柔性电子设备带来了巨大的应用潜力。

图3 全电池性能

Building Ultra-Stable and Low-Polarization Composite Zn Anode Interface via Hydrated Polyzwitterionic Electrolyte Construction. Nano-Micro Letters 2022. DOI: 10.1007/s40820-022-00835-3