《AEM》西交唐偉/東南吳宇平/川大張千玉：從-70°C到100°C，水凝膠電解質綜述！

水系鋅離子電池（AZIBs）因其成本低、安全性高和環境友好等優勢，成為下一代儲能器件的有力競爭者。然而，傳統液態電解質在寬溫域應用中面臨電化學穩定窗口窄、電極/電解質界面不穩定等問題。近年來，水凝膠電解質（HEs）已經作為準固態電解質被開發用于AZIBs，兼具液態電解質的高離子電導率和固態電解質的機械穩定性。

2025年9月23日，西安交通大學唐偉教授、東南大學吳宇平教授（國家杰青/非洲科學院院士）和四川大學張千玉副研究員在《Advanced Energy Materials》上發表題為“Hydrogel Electrolytes for Temperature Robust Aqueous Zinc-Ion Batteries”的綜述文章。該文指出，為拓寬AZIBs在極端環境（如極地科考、深空探測、夏季電動汽車等）下的應用，亟需開發能在寬溫范圍（-50°C至100°C）內穩定工作的HEs。文章系統梳理了HEs在低溫（LTHEs）、高溫（HTHEs）及寬溫（L-HTHEs）條件下的失效機制，并總結了三大改性策略：高濃度鹽策略、添加劑引入策略以及熱自保護機制的設計。

在低溫改性方面，高濃度鹽（如Zn(BF?)?、ZnBr?）能通過離子-偶極作用破壞水分子間的氫鍵網絡，降低自由水含量，形成接觸離子對（CIPs）和聚集體（AGGs），優化Zn2?溶劑化結構，顯著降低凝固點。同時，添加乙醇、乙二醇、甘油等抗凍劑也能通過形成更強的水-添加劑氫鍵抑制冰晶形成。研究表明，采用Zn(BF?)?-PAM基HEs的電池在-70°C仍能穩定工作，而浸泡于7.5 M ZnBr?的PAM水凝膠在-60°C下循環2000次仍保持良好性能。

在高溫改性方面，通過引入高沸點有機添加劑（如1,5-戊二醇、DMF）可重構氫鍵網絡，抑制水分蒸發和析氫反應（HER），并原位形成熱穩定的SEI層抑制枝晶和副反應。例如，PAM-PAMPS-10PD凝膠在100°C下循環3000次仍保持穩定。此外，熱響應型水凝膠（如PNIPAM）能通過溶膠-凝膠轉變實現熱自保護，在高溫下阻斷離子遷移，防止熱失控。

在寬溫雙向調控方面，通過多元協同策略（如共溶劑、雙網絡結構、陰-陽離子共重構）可同時提升低溫和高溫性能。例如，ZGBCP水凝膠通過陰-陽離子溶劑化結構共重構策略，在-40°C至50°C范圍內展現優異離子電導和界面穩定性。BM-gel電解質結合乙二醇包覆和彈性涂層，在-20°C至80°C實現穩定循環。

該綜述還指出，未來的研究需深入揭示極端溫度下AZIBs的失效機制，開發可逆交聯聚合物基質，探索環保添加劑與可回收設計，并推動WTHEs從實驗室走向規模化應用。通過人工智能輔助配方優化、生物聚合物材料應用以及標準化回收流程建立，有望實現AZIBs在極端環境下的高效、安全儲能。

1、系統梳理寬溫水凝膠電解質的失效機制與改性策略，涵蓋低溫凍結、高溫蒸發、枝晶生長等關鍵問題，并提出高濃度鹽、添加劑引入、熱自保護等多路徑解決方案。

2、突出多元協同改性策略的優越性，如陰-陽離子共重構、雙網絡結構、有機/無機復合等，實現-70°C至100°C寬溫域內電池穩定運行。

3、前瞻性提出未來研究方向，包括AI輔助材料設計、可降解水凝膠開發、標準化回收體系構建，為AZIBs的實用化與商業化提供理論支撐和技術路徑。

圖1 WTHEs在極端溫度下面臨的主要挑戰圖示

圖2 高濃度鹽策略調控Zn2?溶劑化結構與抗凍機理

圖3 高溫下有機添加劑優化溶劑化結構與均勻離子傳輸

圖4 熱自保護水凝膠的熱響應相變與水分調控機制

圖5 寬溫雙向調控策略中的協同改性機制與性能總結

該綜述系統總結了面向寬溫應用的水凝膠電解質在AZIBs中的最新研究進展，重點分析了其在極端溫度下的失效機理及改性策略。通過高濃度鹽、抗凍/耐熱添加劑、熱自保護機制以及多元協同設計，顯著提升了AZIBs在-70°C至100°C范圍內的電化學性能與安全性。未來研究應聚焦于機理深度解析、智能材料開發、綠色可持續工藝及規模化制造，以推動AZIBs在極端環境儲能領域的實際應用。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202503226

來源：新能源前沿