水系準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池研究取得進(jìn)展

近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員胡林華團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池凝膠電解質(zhì)研究方面取得進(jìn)展。

水系鋅離子電池因電解液泄漏和腐蝕問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用受限，而準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)因其流變穩(wěn)定性和高柔韌性被視為解決方案。然而，當(dāng)前對(duì)準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的研究普遍忽視成本與毒性控制，且準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的抗疲勞性能亟待提升。醋酸鋅電解質(zhì)符合成本和生態(tài)需求，但溶解性差，導(dǎo)致參與電化學(xué)反應(yīng)的鋅離子不足，進(jìn)而限制電池容量與倍率性能。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員利用尿素作為親鋅增溶劑，成功突破了傳統(tǒng)醋酸鋅水凝膠的濃度限制。研究發(fā)現(xiàn)，由于“鹽析”效應(yīng)，高濃度的Ac?促使聚合物鏈上的水合殼層脫落，增強(qiáng)了鏈段之間的糾纏，從而使得凝膠電解質(zhì)的拉伸率提高至557%，壓縮強(qiáng)度達(dá)到3.7 MPa。這一特性顯著增強(qiáng)了水凝膠的抗疲勞性能，使其能夠抵抗重復(fù)的鋅沉積/剝離過(guò)程以及外部物理刺激。

此外，在電池運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)原位形成聚脲固體電介質(zhì)界面（SEI）層，增強(qiáng)了電極/電解質(zhì)界面的熱力學(xué)穩(wěn)定性。組裝的Zn//Cu電池展現(xiàn)出高達(dá)99.93%的庫(kù)侖效率，Zn//NH4V4O10軟包電池在500 mA g?1的電流密度下展現(xiàn)出280.7 mAh g?1的高比容量，并且在200個(gè)循環(huán)后容量保持率為90.13%。軟包電池的靈活性使其即使在彎曲和折疊過(guò)程中也能保持穩(wěn)定的電壓。

該研究突破了傳統(tǒng)的液態(tài)醋酸鋅電解液濃度限值，利用親鋅增溶劑構(gòu)建高濃度醋酸鋅凝膠電解質(zhì)，有效穩(wěn)定活性水分子并提升了凝膠電解質(zhì)的機(jī)械韌性和抗疲勞性能。同時(shí)，構(gòu)建了原位聚脲SEI層，增強(qiáng)了電極/電解質(zhì)界面的熱力學(xué)穩(wěn)定性，顯示出其在便攜式和可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用潛力。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到安徽省自然科學(xué)基金和合肥研究院院長(zhǎng)基金等的支持。