一种极寒环境下可穿戴的、自供电的能量存储技术：基于抗冻水凝胶摩擦电纳米发电机和无枝晶结构的锌离子电池

《Applied Surface Science》：An extreme cold wearable self-powered energy storage technology: Based on anti-freezing hydrogel triboelectric nanogenerator and dendrite-Free Zn-Ion battery

本研究通过利用乙二醇重构水凝胶的氢键网络，降低其玻璃化转变温度，成功制备出兼具高离子电导率和机械柔韧性的冻融耐受性水凝胶。该材料在0℃和-20℃环境下仍保持优异性能，应用于可穿戴摩擦纳米发电机（TENG）时实现200V开路电压、9μA短路电流及512W/m2的功率密度；集成至全固态Zn离子电池后，通过原位形成固态电解质界面（SEI）膜有效抑制金属溶解和枝晶生长，同时具备自修复特性，显著提升电池循环稳定性。为极寒环境可拉伸电子设备的能源供给提供了新方案。

　　在极端寒冷的环境中，可再生能源的收集面临诸多挑战，如能见度差、暴风雪天气以及复杂的地形条件，这些因素严重阻碍了实现环境可持续性和减少碳足迹的目标。为应对这些问题，研究人员提出了一种创新的解决方案，即设计一种具有高离子导电性的抗冻水凝胶。这种水凝胶不仅能够克服传统水凝胶在低温下的性能退化问题，还适用于可穿戴的摩擦纳米发电机（TENGs）和可充电的全固态锌离子电池，展现出卓越的能量收集与存储能力。

水凝胶作为一种具有高柔性和可拉伸性的材料，长期以来被视为TENGs的理想电极选择。然而，大多数现有的水凝胶在极端低温条件下表现出显著的机械和电性能下降。这主要是由于水凝胶中的水分子在低温下形成密集的氢键结构，导致其玻璃化转变温度升高，从而影响其物理和化学性质。此外，对于全固态锌离子电池而言，水凝胶中的溶剂冻结会降低离子的移动性，进而影响电池的电化学性能。

为了有效解决这些问题，研究团队基于观察到乙二醇能够通过强氢键取代弱氢键来降低水凝胶的玻璃化转变温度，设计了一种新型的抗冻水凝胶。该水凝胶由乙二醇、瓜尔胶和硫酸锌组成，被命名为ZGE-水凝胶。通过引入乙二醇，水凝胶内部的氢键网络得到了优化，从而提高了其在低温下的机械柔性和离子导电性。这种水凝胶在0°C或-20°C的条件下依然保持良好的性能，展现出在极端寒冷环境中应用的潜力。

在可穿戴TENGs的应用中，ZGE-水凝胶电极表现出出色的抗撕裂和抗穿刺性能。它能够在低温条件下稳定地收集能量，产生高达200 V的开路电压和9 μA的短路电流。这种性能使得ZGE-水凝胶成为一种理想的电极材料，尤其适用于需要在低温环境下工作的可穿戴设备。此外，该水凝胶还能够提高TENGs的功率密度，使其达到512 W/m2，这在实际应用中具有重要意义。

在锌离子电池方面，ZGE-水凝胶被用作固态电解质，用于构建具有固态电解质界面（SEI）膜的电池。这种SEI膜能够有效抑制锰的溶解和锌枝晶的生长，同时调节锌的沉积和溶解过程的可逆性。SEI膜的形成是通过水凝胶与电极材料之间的相互作用实现的，它能够在电池运行过程中动态地调整，从而提高电池的稳定性和寿命。此外，ZGE-水凝胶还具有自修复特性，能够在受到损伤后恢复其原有性能，这对于在恶劣环境中工作的电池来说尤为重要。

这项研究不仅解决了水凝胶在低温下的性能问题，还为开发高性能、可拉伸和自修复的TENGs和全固态电池提供了新的思路。ZGE-水凝胶的应用范围广泛，包括可穿戴电子设备、远程监测系统和便携式能源解决方案。通过引入乙二醇，水凝胶的抗冻性能得到了显著提升，同时保持了其高离子导电性，这为未来的能源技术发展奠定了坚实的基础。

在材料制备方面，ZGE-水凝胶的合成过程相对简单，只需将硫酸锌溶解在去离子水中，加入瓜尔胶并快速搅拌，随后转移至模具中进行固化。这种制备方法不仅降低了生产成本，还提高了材料的可扩展性，使其更易于大规模生产和应用。此外，研究团队还探索了其他类型的水凝胶，如ZG-水凝胶，这些材料在不同应用场景中也展现出良好的性能。

ZGE-水凝胶的成功开发得益于其独特的分子结构和物理特性。乙二醇的引入改变了水凝胶内部的氢键网络，使其在低温下仍能保持良好的柔性和导电性。同时，瓜尔胶作为基材，提供了良好的机械支撑，而硫酸锌则作为离子导体，增强了水凝胶的导电性能。这种组合不仅提高了水凝胶的抗冻能力，还使其在能量收集和存储方面具有更高的效率。

在实际应用中，ZGE-水凝胶的性能优势尤为明显。对于可穿戴TENGs而言，其高开路电压和短路电流使得设备能够在低温环境下持续有效地收集能量。这对于需要在寒冷地区工作的可穿戴设备来说至关重要，因为它能够确保设备在恶劣条件下的正常运行。此外，ZGE-水凝胶的自修复特性也为其在实际应用中提供了额外的保障，即使在受到物理损伤后，仍能恢复其原有的性能。

在锌离子电池方面，ZGE-水凝胶的使用显著提高了电池的稳定性和寿命。SEI膜的形成有效减少了锌电极与水分子之间的直接接触，从而抑制了不必要的副反应。这种保护机制不仅提高了电池的安全性，还延长了其使用寿命。此外，ZGE-水凝胶的高离子导电性使得电池能够在低温条件下保持良好的充放电性能，这对于在寒冷地区工作的电子设备来说是一个重要的突破。

研究团队还对ZGE-水凝胶的性能进行了系统的评估。通过实验测试，他们发现ZGE-水凝胶在不同温度条件下的机械性能和电化学性能均优于传统水凝胶。特别是在-20°C的条件下，ZGE-水凝胶依然能够保持良好的导电性，这为未来的低温环境下的能源应用提供了可靠的材料支持。此外，ZGE-水凝胶的自修复能力使其在实际使用中更加耐用，能够适应各种复杂的环境条件。

除了在能量收集和存储方面的应用，ZGE-水凝胶还具有广泛的其他用途。例如，它可用于构建柔性传感器，这些传感器能够在低温环境下稳定工作，适用于各种工业和科研场景。此外，ZGE-水凝胶的高离子导电性也使其在生物医学领域具有潜在的应用价值，如用于柔性电子皮肤或可穿戴健康监测设备。

为了进一步推广ZGE-水凝胶的应用，研究团队还探讨了其在不同应用场景中的优化策略。例如，通过调整乙二醇和瓜尔胶的比例，可以进一步优化水凝胶的导电性和机械性能。此外，研究团队还考虑了其他抗冻剂的引入，以探索更广泛的性能提升可能性。这些优化措施不仅有助于提高水凝胶的性能，还能够降低其生产成本，使其更易于商业化和大规模应用。

总的来说，这项研究为解决极端寒冷环境中可再生能源收集和存储的问题提供了新的思路和方法。通过引入乙二醇，研究团队成功设计了一种抗冻、高离子导电性的水凝胶，使其在低温条件下依然保持良好的性能。这种水凝胶不仅适用于可穿戴TENGs，还能够用于构建全固态锌离子电池，显著提高了电池的稳定性和寿命。未来，随着更多相关研究的开展，ZGE-水凝胶有望在更广泛的领域中得到应用，为实现环境可持续性和减少碳足迹做出更大贡献。