《AM》長安大學(xué)茍蕾/樊小勇團(tuán)隊(duì)突破柔性水凝膠鋅電池瓶頸！

柔性鋅離子電池需兼顧安全性與形變適應(yīng)性，而傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)易泄漏且難集成。天然多糖基水凝膠雖具生物相容性優(yōu)勢，但普遍存在機(jī)械強(qiáng)度弱（通常＜1 MPa）、離子電導(dǎo)率低（＜10 mS cm?1）的缺陷。現(xiàn)有改性方案依賴合成聚合物或納米填料，又犧牲了環(huán)境友好性。

物理-化學(xué)雙網(wǎng)絡(luò)協(xié)同

長安大學(xué)茍蕾教授、樊小勇教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的全生物基水凝膠電解質(zhì)Phos-XK，通過精準(zhǔn)調(diào)控磷酸單酯（MPE）與雙酯（DPE）比例，攻克了天然聚合物電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度與離子電導(dǎo)率難以兼得的行業(yè)難題。

柔性鋅離子電池的發(fā)展長期受限于傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)及天然水凝膠的"雙低"困境——機(jī)械強(qiáng)度普遍低于1 MPa，離子電導(dǎo)率不足10 mS cm?1。現(xiàn)有改性方案依賴合成聚合物或納米填料，卻犧牲了環(huán)境友好性。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用"物理交聯(lián)筑基，磷酸化定向優(yōu)化"策略（圖1）：首先在65℃下通過魔芋葡甘聚糖（KGM）與黃原膠（XG）的螺旋-線團(tuán)轉(zhuǎn)變形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)骨架（XK水凝膠），進(jìn)而引入磷酸基團(tuán)并通過檸檬酸精準(zhǔn)調(diào)控MPE（離子通道）與DPE（交聯(lián)錨點(diǎn)）比例為1:2.7，形成類斜拉橋結(jié)構(gòu)——DPE如"鋼索"強(qiáng)化機(jī)械穩(wěn)定性，MPE似"高速路"加速離子遷移。

圖 1.Phos-XK-1 水凝膠電解質(zhì)的全面圖示。

雙優(yōu)指標(biāo)與超穩(wěn)循環(huán)

Phos-XK-1展現(xiàn)出卓越的綜合性能（圖2）：拉伸強(qiáng)度達(dá)2.524 MPa（較基礎(chǔ)XK提升73%），離子電導(dǎo)率20.72 mS cm?1（為液態(tài)電解質(zhì)3.6倍），居生物基水凝膠前列。其磷酸酯基團(tuán)賦予優(yōu)異阻燃性，10天開放環(huán)境保水率達(dá)59.7%。電化學(xué)性能更為突出：Zn//Zn對稱電池在0.5 mA cm?2下穩(wěn)定運(yùn)行3000小時(shí)，5 mA cm?2高倍率循環(huán)超800小時(shí)；Zn//Cu電池庫侖效率達(dá)99.45%且保持1200周，遠(yuǎn)超文獻(xiàn)值。理論計(jì)算揭示性能提升根源（圖3）：MPE的P=O/P-O?基團(tuán)靜電勢為負(fù)，與Zn2?結(jié)合能（5.07 eV）顯著高于水合鋅離子（3.77 eV），有效競爭溶劑化鞘；[Zn(H?O)?(MPE)]2?脫水電勢僅需0.21–1.93 eV，較[Zn(H?O)?]2?（0.39–3.76 eV）大幅降低。COMSOL模擬證實(shí)其使離子濃度場與電場分布高度均一，從根源抑制枝晶。

圖 2.Phos-XK-1 水凝膠電解質(zhì)的基本性質(zhì)表征。

圖 3.Phos-XK-1 水凝膠中磷酸酯改性機(jī)理的理論計(jì)算。

獨(dú)特界面調(diào)控機(jī)制

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了獨(dú)特界面調(diào)控機(jī)制（圖4）：計(jì)時(shí)電流法顯示Zn2?在50秒內(nèi)切換至3D擴(kuò)散模式（電流穩(wěn)定于7.2 mA），而液態(tài)電解質(zhì)需500秒；原位拉曼顯示SO?2?峰強(qiáng)度恒定，印證離子通量均勻；顯微觀測證實(shí)鋅沉積層平整致密，激光共聚焦顯示表面粗糙度極低。

圖 4.Phos-XK-1 水凝膠機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究。

柔性集成

該材料更成功應(yīng)用于柔性場景（圖5）：Zn//MnO?全電池在0.2 A g?1下容量137.45 mAh g?1，2000周循環(huán)容量保持70%；180°彎曲50周后容量保持94.9%，腕帶電池可穩(wěn)定供電。其生物相容性突出：與成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞共培養(yǎng)72小時(shí)存活率無顯著差異；微生物環(huán)境下10天完全降解為葡萄糖醛酸，環(huán)境毒性為零。該研究通過分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)天然聚合物性能躍升，為柔性電子提供兼具20.72 mS cm?1離子電導(dǎo)、2.5 MPa強(qiáng)度、3000小時(shí)循環(huán)壽命的可降解電解質(zhì)新方案。

圖 5.驗(yàn)證 Phos-XK-1 水凝膠電解質(zhì)在柔性鋅離子電池中的有效性、生物相容性和生物降解性。

來源：高分子科學(xué)前沿