南方科技大學(xué)曾林副教授：“凝膠-電解液”交替陣列水凝膠電解質(zhì)

“凝膠-電解液”交替陣列水凝膠電解質(zhì)

題目：Zincophilic Vertically Aligned Hydrogel Electrolyte With Enhanced Ion Transport and Dendrite Suppression for Stable Zinc-Ion Batteries

作者：Yuke Zhou, Xiyan Wei, Yuwei Li, Xianbin Wei, Yongbiao Mu, Zifan Liao, Huicun Gu, Meisheng Han, Lin Zeng

DOI：10.1002/cnl2.70116

鏈接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70116

第一作者：周鈺軻

通訊作者：慕永彪，曾林

單位：南方科技大學(xué)

研究背景

“雙碳”的愿景促進了可再生能源的發(fā)展，風(fēng)電、水電、太陽能等可再生能源設(shè)備數(shù)量劇增，然而，上述可再生能源往往存在地域性、氣候性和季節(jié)性的限制，使其無法滿足全球化和智能化發(fā)展所需的便攜穩(wěn)定的能量供給。基于上述背景，可充電電池因其高能量密度和便攜性脫穎而出。在眾多可充電電池中，鋅離子電池因高安全性、對環(huán)境友好和高理論容量等優(yōu)勢成為下一代大型儲能設(shè)備的高潛力候選者。然而，鋅負極的不穩(wěn)定性嚴重危害了鋅離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性，枝晶生長和副反應(yīng)的發(fā)生，往往將鋅離子電池的循環(huán)壽命限制在幾十到幾百小時。為解決這些問題，學(xué)界提出了活性水更少、性質(zhì)更穩(wěn)定的水凝膠電解質(zhì)。水凝膠電解質(zhì)策略顯著地提高了鋅負極的壽命，為獲得優(yōu)異傳導(dǎo)性能的水凝膠電解質(zhì)，大量的研究致力于制備擁有均勻分布的快速離子傳導(dǎo)通道水凝膠，然而，傳統(tǒng)的水凝膠工藝往往難以兼顧穩(wěn)定制備、可重現(xiàn)、通道均勻分布、通道路徑短、抑制鋅負極副反應(yīng)、優(yōu)異機械性能等多個方面。因此，基于上述的能源發(fā)展趨勢、鋅離子電池難題和水凝膠電解質(zhì)工藝不穩(wěn)定的多重背景，一個簡單可重現(xiàn)且性能優(yōu)異的水凝膠電解質(zhì)制備工藝對推進鋅離子電池穩(wěn)定應(yīng)用具有十分重要的作用。

成果介紹

南方科技大學(xué)曾林副教授團隊通過模板法熱聚合了一種“凝膠-電解液”交替陣列水凝膠電解質(zhì)，利用均勻分布的模板，制備出擁有垂直陣列的多孔水凝膠，垂直陣列的孔洞中可以儲存電解液，為鋅離子傳導(dǎo)提供最短的擴散路徑，并利用均勻分布且孔徑一致的孔洞實現(xiàn)鋅離子的均勻沉積。此外，凝膠和電解液中都存在大量的含F(xiàn)官能團，可顯著束縛水分子活性，抑制HER，最終，對稱電池實現(xiàn)了4000 h的循環(huán)壽命。該工作為制備可控水凝膠電解質(zhì)提供了理論指導(dǎo)，成果以“Zincophilic Vertically Aligned Hydrogel Electrolyte With Enhanced Ion Transport and Dendrite Suppression for Stable Zinc-Ion Batteries”為題發(fā)表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮點

1、模板法制備的水凝膠電解質(zhì)重復(fù)性高，垂直孔洞分布均勻，為鋅離子提供均勻的快速傳輸通道；

2、水凝膠和電解液中含高濃度TFSI-基團，減少了活性水，可有效限制HER的發(fā)生；

3、“凝膠-液態(tài)”交替的電解質(zhì)陣列可解決凝膠電解質(zhì)傳導(dǎo)緩慢和界面接觸差的問題；

4、鋅離子在垂直電極方向遷移快，但平行方向被凝膠減緩，可抑制鋅離子向某一區(qū)域聚集，進而抑制枝晶生長。

本文要點

要點一

“凝膠-液態(tài)”垂直陣列水凝膠制備

圖1：（a）模板法制備多孔垂直陣列水凝膠示意圖。（b）凝膠為離子傳輸提供快速通道。

圖1展示了該垂直陣列水凝膠的制備方法，從圖1a可見，利用模板可制備出性質(zhì)相同、孔徑相同、分布均勻、孔洞可調(diào)控的垂直陣列水凝膠，同時，相比于傳統(tǒng)的氣體造孔或真空干燥造孔，該策略可重復(fù)性和性質(zhì)統(tǒng)一性更高，更適合大面積制備。

要點二

電解質(zhì)傳導(dǎo)性和HER抑制能力

圖2：（a，b）凝膠電解質(zhì)的SEM圖。（c）o-PAM（有垂直陣列）和r-PAM（無垂直陣列）的電導(dǎo)率。含不同濃度TFSI-電解質(zhì)的（d，e）Raman光譜，（f）LSV測試。

在圖2（a，b）圖中可以看到凝膠電解質(zhì)的均勻多孔結(jié)構(gòu)，這為鋅離子傳輸提供了均勻的快速通道，圖2c中的電導(dǎo)率驗證了這一點。同時凝膠阻礙鋅離子向其他區(qū)域快速聚集，解決了凝膠電解質(zhì)傳導(dǎo)難和電解液電荷容易聚集的問題。圖2d-2f驗證了高濃度TFSI-可改變氫鍵網(wǎng)絡(luò)，抑制HER。然而，高濃度的鋅離子電解質(zhì)往往帶來更低的pH，這會加劇HER，同時，Zn（TFSI）2溶解度有限，無法提供足夠TFSI-官能團來抑制HER。因此，高濃度的Zn（TFSI）2并不利于電池穩(wěn)定運行，而高濃度的LiTFSI則可解決上述問題，并實現(xiàn)對HER的抑制。

要點三

優(yōu)異的鋅負極穩(wěn)定性

圖3：鋅||鋅和鋅||鈦電池的電化學(xué)性能。鋅||鈦電池在不同電流密度下的（a）庫倫效率，（b）沉積剝離曲線和（c）平均庫倫效率。（d-g）不同條件下鋅||鋅對稱電池的長循環(huán)性能。（h）與其他報道的水凝膠性能對比圖。

圖3a-3c展示了該水凝膠電解質(zhì)的可以實現(xiàn)不同電流密度下高可逆的鋅負極。圖3d-3h驗證了該電解質(zhì)可顯著提升鋅負極穩(wěn)定性，在小電流下可以達到4000 h的循環(huán)壽命，這正是副反應(yīng)和枝晶生長被有效抑制的表現(xiàn)。

要點四

鋅沉積行為分析

圖4：（a，b）用不同電解質(zhì)循環(huán)后鋅負極的XRD譜圖。用（c）o-PAM和（d）r-PAM循環(huán)后的鋅負極SEM。（e-f）不同電解質(zhì)在電流密度和鋅離子分布的Comsol模擬。

圖4a-4d展示了o-PAM對鋅沉積行為的影響，從循環(huán)后鋅負極的XRD譜圖和SEM可以看到，o-PAM能夠引導(dǎo)鋅平整沉積。從Comsol模擬可以看到，有垂直陣列的水凝膠電解質(zhì)，電流和鋅離子更傾向于分布在孔洞部分，這為鋅離子的快速遷移提供了更大驅(qū)動力。同時，因為凝膠電解質(zhì)的阻隔，鋅離子難以脫離孔洞部分，這抑制了鋅離子的大量聚集，進一步抑制了大尺寸鋅枝晶的出現(xiàn)。

要點五

全電池電化學(xué)性能

圖5：鋅||碘電池（a）在1 A g-1下的長循環(huán)性能，（b）原位EIS，（c）倍率性能，（d）倍率測試充放電曲線，（e）5 A g-1下的長循環(huán)性能。（f）鋅||二氧化釩電池在5 A g-1下的長循環(huán)性能。

圖5展示了，在不同電流密度下，全電池都表現(xiàn)出優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的容量保持率。此外，高濃度的TFSI-并未帶來不利于電池穩(wěn)定運行的正極溶解或副反應(yīng)發(fā)生，此電解質(zhì)在鋅||碘全電池和鋅||二氧化釩電池中都能穩(wěn)定運行，驗證了該電解質(zhì)的實用性。

本文小結(jié)

該工作通過模板法熱聚合了一種“凝膠-電解液”交替陣列水凝膠電解質(zhì)，該多孔水凝膠為鋅離子傳導(dǎo)提供最短的擴散路徑，并利用均勻分布且孔徑一致的孔洞實現(xiàn)鋅離子的均勻沉積。此外，此電解質(zhì)存在大量的含F(xiàn)官能團，可顯著束縛水分子活性，抑制HER，最終，對稱電池實現(xiàn)了4000 h的循環(huán)壽命。這種模板法制備的水凝膠的策略，具有可控、可重復(fù)的優(yōu)點，是一種具有指導(dǎo)意義的水凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。

作者介紹

第一作者

周鈺軻

南方科技大學(xué)機械與能源工程系本科生，導(dǎo)師曾林副教授。已在Carbon Neutralization，ACS Nano，Advanced Energy Materials等高水平期刊發(fā)表文章5篇，專利1篇，現(xiàn)于新加坡國立大學(xué)攻讀碩士學(xué)位。

通訊作者

慕永彪

南方科技大學(xué)博士，從事高比能鋰電池固態(tài)電解質(zhì)、水系鋅電池關(guān)鍵材料等研究工作。以通訊作者/第一作者/共同一作在Carbon Neutralization，Nature Communications，Science Advances，Energy & Environmental Science等高水平期刊上發(fā)表文章逾50篇，論文總引用逾4000次，H因子33。

通訊作者

曾 林

南方科技大學(xué)機械與能源工程系長聘副教授，博士生導(dǎo)師。研究方向為燃料電池、電解水以及電化學(xué)儲能材料與器件的研發(fā)。已在Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Advanced Materials、Nature Communications等期刊發(fā)表SCI論文200余篇，其中一作/通訊論文140余篇，論文總引用12000余次，H因子54，連續(xù)兩年入選美國斯坦福大學(xué)發(fā)布的全球“終身科學(xué)影響力排行榜”（2024-2025），連續(xù)五年入選“全球前2%頂尖科學(xué)家”榜單（2021-2025）。擔(dān)任Advanced Powder Materials、Sustainable Chemistry for Energy Materials等期刊青年編委。

團隊招聘

南方科技大學(xué)曾林課題組招聘二次電池、電解水方向博士后課題組長期招聘電解水制氫、鋅離子電池和固態(tài)電池等研究領(lǐng)域的博士后，課題組可以提供冷凍電鏡(Cryo-TEM)、高分辨透射電鏡(HR-TEM)、高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)、臺式X射線吸收精細結(jié)構(gòu)/發(fā)射譜儀(XAFS/XES)、原位XRD以及原位Raman、原位紅外等多種高端分析表征。

感興趣者請聯(lián)系zengl3@sustech.edu.cn。

團隊近期研究進展推薦

1、 Zhiyu Zou, Yongbiao Mu, Meisheng Han*, Youqi Chu, Jie Liu, Kunxiong Zheng, Qing Zhang, Manrong Song, Qinping Jian, Yilin Wang, Hengyuan Hu, Fenghua Yu, Wenjia Li, Lei Wei, Lin Zeng*, Tianshou Zhao*, “Integrated Polyanion-Layered Oxide Cathodes Enabling 100,000 Cycle Life for Sodium-Ion Batteries”, Energy & Environmental Science, 18 (2025), 2216-2230.

2、 Jiafeng He#, Yongbiao Mu#, Bu-ke Wu, Fuhai Wu, Ruixi Liao, Hongfei Li, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “Synergistic effects of Lewis acid–base and Coulombic interactions for high-performance Zn–I2 batteries”, Energy & Environmental Science, 17 (2024), 323-331.

3、 Xiyan Wei#, Yongbiao Mu#, Jian Chen#, Yuke Zhou, Youqi Chu, Lin Yang, Chaozhu Huang, Tao Xue, Limin Zang*, Chao Yang*, Lin Zeng*, “Optimizing Zn (100) Deposition via Crystal Plane Shielding Effect towards Ultra-High Rate and Stable Zinc Anode”, Energy Storage Materials, 75 (2025), 104026.

4、 Yongbiao Mu#, Zheng Li#, Bu-ke Wu#, Haodong Huang, Fuhai Wu, Youqi Chu, Lingfeng Zou, Ming Yang, Jiafeng He, Ling Ye, Meisheng Han, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “3D hierarchical graphene matrices enable stable Zn anodes for aqueous Zn batteries”, Nature Communications, 14 (2023), 4205.

5、 Yongbiao Mu#, Meisheng Han#, Buke Wu#, Yameng Wang, Zhenwei Li, Jiaxing Li, Zheng Li, Shuai Wang, Jiayu Wan*, Lin Zeng*, “Nitrogen, Oxygen-codoped Vertical Graphene Arrays Coated 3D Flexible Carbon Fibers with High Silicon Content as an Ultrastable Anode for Superior Lithium Storage”, Advanced Science, 9 (2022), 2104685.

6、 Buke Wu#, Binbin Guo#, Yuzhu Chen#, Yongbiao Mu, Hongqiao Qu, Meng Lin*, Jiaming Bai*, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “High Zinc Utilization Aqueous Zinc Ion Batteries Enabled by 3D Printed Graphene Arrays”, Energy Storage Materials, 54 (2023), 75-84.

7、 Quanyan Man, Yongbiao Mu*, Lin Yang, Maokun Li, Huicun Gu, Xiaoqian Xu, Zijian Qiu, Chao Yang, Meisheng Han, Guangmin Zhou*, Lin Zeng*, “Electron Push-Pull Engineering Enables Sustainable, Anti-Corrosive, and Nonflammable Phosphate Electrolytes for Long-Lifespan Lithium-Sulfur Batteries”, Energy & Environmental Science, 2026.

Ling Wang, Peng Ji, Na Li*, Jing Li, Yi-Lin Liu*, Jinpeng Guan, Zhaoyu Wang, Haiyang Fu, Yongbiao Mu*, Lin Zeng*, “Advancements and Challenges in Aqueous Zinc-Iodine Batteries: Strategies for Enhanced Performance and Stability”, Electrochemical Energy Reviews, 8, 34 (2025).

期刊介紹

發(fā) 展 歷 程

Carbon Neutralization是溫州大學(xué)與Wiley共同出版的國際性跨學(xué)科開放獲取期刊，立志成為綜合性旗艦期刊。期刊于2022年創(chuàng)刊，名譽主編由澳大利亞新南威爾士大學(xué)Rose Amal院士擔(dān)任，主編由溫州大學(xué)校長趙敏教授和溫州大學(xué)碳中和技術(shù)創(chuàng)新研究院院長侴術(shù)雷教授擔(dān)任，編委會由來自11個國家和地區(qū)的28名國際知名專家學(xué)者組成，其中編委會19位編委入選2025年度全球“高被引科學(xué)家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ數(shù)據(jù)庫收錄，入選為中國科技期刊卓越行動計劃二期高起點新刊，并于2025年獲得首個影響因子12。

Carbon Neutralization重點關(guān)注碳利用、碳減排、清潔能源相關(guān)的基礎(chǔ)研究及實際應(yīng)用，旨在邀請各個領(lǐng)域的專家學(xué)者發(fā)表高質(zhì)量、前瞻性的重要著作，為促進各領(lǐng)域科學(xué)家之間的合作提供一個獨特的平臺。

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