结构稳定的两性离子水凝胶，具备结合水的调控功能，可实现有序的Zn2+传输，并在高温条件下无枝晶形成地循环使用

《Journal of Energy Storage》：Structurally stable zwitterionic hydrogel with bound-water regulation for ordered Zn2+ transport and high-temperature dendrite-free cycling

锌离子电池高低温稳定性研究及新型水稳定电解质开发。采用自由基共聚制备了基于guar gum的杂化网络电解质ASG-Z，通过静电作用形成水屏蔽层，抑制60℃下析氢反应和枝晶生长，实现Zn||Zn 300小时无枝晶循环，Zn||MnO2全电池2000次循环容量保持率97%。研究提出分子工程化水凝胶电解质策略，有效解决水基锌电池高温稳定性差和电解质结构失稳问题。

　　锌离子电池作为一种具有高安全性和可扩展性的储能技术，近年来受到了广泛关注。其高理论容量、低标准电化学还原电位以及环保、低成本等优势，使其成为一种具有广阔发展前景的新型储能装置。然而，锌离子电池在高温环境下的性能仍然受到电解液不稳定性的限制。为了克服这一难题，研究人员开发了一种结构稳定且具有热稳定性的两性离子水凝胶电解质（ASG-Z），该电解质通过在瓜尔胶基质中进行自由基共聚，由[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基-(3-磺丙基)甜菜碱（SBMA）和丙烯酰胺（AM）共同合成。这种水凝胶电解质的混合网络结构结合了多糖链的刚性和SBMA-AM共聚物的柔性，通过氢键相互作用，形成了具有高抗拉强度和拉伸能力的凝胶体系。其抗拉强度达到0.54 MPa，拉伸能力达到335%，这为锌离子电池在高温条件下的稳定运行提供了重要保障。

在SBMA分子中，磺酸基团与季铵基团之间的静电相互作用形成了一个水合介导的屏蔽层，该屏蔽层能够锁住水分子，抑制氢气析出反应（HER），同时维持电解质的多孔结构，确保锌离子（Zn2?）的高效传输。这一特性使得ASG-Z电解质能够在60°C下实现超过300小时的无枝晶锌||锌循环，并且在60°C和2 A g?1的条件下，锌||二氧化锰（MnO?）全电池表现出约97%的容量保持率。这些结果表明，ASG-Z电解质在高温条件下具有出色的电化学性能和结构稳定性。

在传统的水凝胶电解质膜中，存在孔径分布范围宽、孔结构不稳定等问题，这导致了凝胶电解质在使用过程中发生塌陷，从而引起离子流分布不均和结构不完整。这些问题严重制约了水基锌离子电池的商业化进程。因此，解决锌离子电池在高温条件下的稳定运行问题和锌离子的均匀沉积问题，成为材料改性与结构优化的重要研究方向。

为了有效解决水基锌离子电池中的氢气析出反应、枝晶生长和电极腐蚀等问题，研究人员提出了多种改进策略，旨在降低电解液中的自由水含量，并促进锌离子在电极表面的均匀沉积，以提高电池在高温环境下的性能。例如，WIS电解质、分子拥挤电解质和共晶电解质等策略已被广泛研究，通过增强水分子与盐离子之间的相互作用，破坏自由水分子网络中的弱氢键，从而有效抑制锌枝晶的形成。然而，随着盐或溶剂浓度的增加，高粘度、毒性和易燃性等问题也随之而来，这限制了电池在高温条件下的性能表现。此外，许多研究直接针对减少水分子与电极的接触，即通过在电极表面形成疏水保护层或构建疏水微观区域来实现。这种方法可以防止过多的自由水接触到电极，从而降低水诱导的副反应。例如，Liu等人在锌箔表面建立了人工界面保护层，并结合疏水的Mg-Al层状双氢氧化物（LDH）和高导电性的亲水石墨烯量子点（GQDs），制备出一种多功能的复合保护层。疏水的LDH作为物理屏障，可以抑制负极锌电极与电解液之间的直接接触，避免因水引起的腐蚀。然而，该方法需要精确的原位聚合控制，制备过程复杂，且界面结合力较差。相比之下，非原位聚合的方法则更加简便，易于控制聚合物电解质的性能。例如，中国电子科技大学的王斌教授团队提出了一种聚合物（丙烯酰胺-二甲基辛基丙基甲基丙烯酰胺溴化铵）（C??-PCHA-AAm），该聚合物具有纳米级的疏水微区域。这种聚合物能够在电极界面诱导长链疏水烷烃的定向排列，从而有效屏蔽自由水，减少自由水与锌电极之间的反应性。然而，这种微纳米结构或疏水层可能会增加锌离子在电极表面的传输阻力，导致界面阻抗增加，从而影响电池的倍率性能。

为了应对水基电池在循环过程中由于水吸收和膨胀导致的离子传输孔塌陷或结构紊乱问题，王志强教授团队提出了一种多功能隔膜，该隔膜由在纤维素表面涂覆Zr??原位水解产物的纳米纤维素（Zr-CNF）组成。由于Zr??对纤维素的交联作用和水解产物的氢键屏蔽作用，这种隔膜表现出优异的吸胀阻力和孔结构稳定性。然而，目前对于水基凝胶电解质孔结构稳定性的研究仍然不足，缺乏相应的缓解策略。因此，迫切需要开发替代方法，以有效解决由于电解液中自由水含量过高而导致的电池过热故障、吸胀和变形问题，同时保持其多孔结构特性。

ASG-Z电解质的合成和表征结果显示，其结构稳定且具有良好的水保留能力。通过在瓜尔胶基质中进行自由基共聚，SBMA和AM共同构建了混合网络结构。这种结构不仅赋予电解质优异的机械强度和弹性，还通过均匀且相互连接的多孔结构实现了高效的离子传输，从而提高了离子导电性。此外，ASG-Z电解质中丰富的亲水功能基团部分缓解了电解液中的自由水含量，抑制了氢气析出反应，为锌离子电池在高温环境下的稳定运行提供了保障。

在水基锌离子电池的应用中，电解液的稳定性是影响电池性能和安全性的关键因素。高温条件下的电解液容易发生水分子的快速扩散和氢气析出反应，这不仅降低了电池的库仑效率，还可能导致电池内部压力升高，从而引发安全隐患。因此，开发一种能够有效抑制氢气析出反应、维持电解液结构稳定性的电解质成为研究的重点。ASG-Z电解质通过其独特的两性离子结构和氢键网络，成功实现了这一目标。其两性离子结构能够锁住水分子，减少自由水与锌电极之间的反应性，从而抑制氢气析出反应的发生。同时，氢键网络的构建不仅增强了电解液的抗胀能力，还维持了多孔结构的完整性，为锌离子的高效传输提供了通道。

此外，ASG-Z电解质的结构设计还考虑了其在高温条件下的机械性能和热稳定性。通过结合瓜尔胶的刚性骨架和SBMA-AM共聚物的柔性链，形成了一个既具有强度又具有弹性的混合网络。这种结构能够在高温环境下保持电解液的完整性，防止因温度变化导致的结构塌陷或变形。同时，其多孔结构的均匀分布也确保了离子的均匀传输，从而提高了电池的循环稳定性和能量效率。

在实际应用中，锌离子电池的性能受到多种因素的影响，包括电解液的组成、电极材料的性质以及电池的运行条件。因此，开发一种能够适应不同运行环境、具有高稳定性和良好电化学性能的电解质，对于推动锌离子电池的应用具有重要意义。ASG-Z电解质的开发为这一目标提供了新的思路和解决方案，其结构设计和性能优化为水基锌离子电池在高温条件下的稳定运行奠定了基础。

在材料科学领域，水凝胶电解质因其独特的物理和化学特性，被广泛应用于各种储能系统中。水凝胶电解质具有良好的柔性和机械强度，能够适应复杂的电极结构，并在高温条件下保持稳定。然而，传统的水凝胶电解质在高温环境下容易发生结构塌陷，导致离子传输效率下降，从而影响电池的性能。因此，开发一种能够在高温环境下保持结构稳定性的水凝胶电解质成为研究的热点。ASG-Z电解质的开发为这一问题提供了有效的解决方案，其结构设计和性能优化为水基锌离子电池在高温条件下的稳定运行提供了重要保障。

在电化学性能方面，锌离子电池的性能受到多种因素的影响，包括锌离子的迁移能力、电极材料的表面性质以及电解液的组成。因此，开发一种能够提高锌离子迁移能力、抑制副反应的电解质，对于提升电池的性能具有重要意义。ASG-Z电解质通过其独特的两性离子结构和氢键网络，成功实现了这一目标。其两性离子结构能够锁住水分子，减少自由水与锌电极之间的反应性，从而抑制氢气析出反应的发生。同时，氢键网络的构建不仅增强了电解液的抗胀能力，还维持了多孔结构的完整性，为锌离子的高效传输提供了通道。

此外，ASG-Z电解质的结构设计还考虑了其在高温条件下的热稳定性。通过结合瓜尔胶的刚性骨架和SBMA-AM共聚物的柔性链，形成了一个既具有强度又具有弹性的混合网络。这种结构能够在高温环境下保持电解液的完整性，防止因温度变化导致的结构塌陷或变形。同时，其多孔结构的均匀分布也确保了离子的均匀传输，从而提高了电池的循环稳定性和能量效率。

在实际应用中，锌离子电池的性能受到多种因素的影响，包括电解液的组成、电极材料的性质以及电池的运行条件。因此，开发一种能够适应不同运行环境、具有高稳定性和良好电化学性能的电解质，对于推动锌离子电池的应用具有重要意义。ASG-Z电解质的开发为这一目标提供了新的思路和解决方案，其结构设计和性能优化为水基锌离子电池在高温条件下的稳定运行奠定了基础。

在材料科学领域，水凝胶电解质因其独特的物理和化学特性，被广泛应用于各种储能系统中。水凝胶电解质具有良好的柔性和机械强度，能够适应复杂的电极结构，并在高温条件下保持稳定。然而，传统的水凝胶电解质在高温环境下容易发生结构塌陷，导致离子传输效率下降，从而影响电池的性能。因此，开发一种能够在高温环境下保持结构稳定性的水凝胶电解质成为研究的热点。ASG-Z电解质的开发为这一问题提供了有效的解决方案，其结构设计和性能优化为水基锌离子电池在高温条件下的稳定运行提供了重要保障。

在电化学性能方面，锌离子电池的性能受到多种因素的影响，包括锌离子的迁移能力、电极材料的表面性质以及电解液的组成。因此，开发一种能够提高锌离子迁移能力、抑制副反应的电解质，对于提升电池的性能具有重要意义。ASG-Z电解质通过其独特的两性离子结构和氢键网络，成功实现了这一目标。其两性离子结构能够锁住水分子，减少自由水与锌电极之间的反应性，从而抑制氢气析出反应的发生。同时，氢键网络的构建不仅增强了电解液的抗胀能力，还维持了多孔结构的完整性，为锌离子的高效传输提供了通道。

在实际应用中，锌离子电池的性能受到多种因素的影响，包括电解液的组成、电极材料的性质以及电池的运行条件。因此，开发一种能够适应不同运行环境、具有高稳定性和良好电化学性能的电解质，对于推动锌离子电池的应用具有重要意义。ASG-Z电解质的开发为这一目标提供了新的思路和解决方案，其结构设计和性能优化为水基锌离子电池在高温条件下的稳定运行奠定了基础。

综上所述，ASG-Z电解质的开发为水基锌离子电池在高温条件下的稳定运行提供了新的思路和解决方案。其结构设计和性能优化不仅解决了传统电解质在高温环境下的稳定性问题，还提高了电池的电化学性能和循环寿命。这一研究成果为锌离子电池的商业化应用提供了重要的技术支持，同时也为其他类型的水基电池提供了可借鉴的策略。未来，随着材料科学和电化学技术的不断发展，锌离子电池的性能有望进一步提升，为新能源领域的应用提供更加可靠和高效的解决方案。