用于长寿命锌离子电池的有序分层水凝胶电解质

《Small》：Ordered Hierarchical Hydrogel Electrolyte for Long-Life Zinc-Ion Batteries

基于细菌纤维素纳米纤维定向排列构建的有序分级水凝胶电解质（OHHE）通过三重协同机制显著提升锌离子电池性能，实现高离子电导率（36.19 mS cm?1）、优异机械强度（抗拉强度27.35 MPa）及枝晶抑制效果，使Zn//Zn对称电池循环寿命超过1600小时，全电池（NaV3O8·1.5H2O正极）循环3800次容量保持率82.47%。

　　

摘要

水凝胶电解质在解决锌阳极的关键问题方面展现出巨大潜力，但如何在离子导电性和机械强度之间取得平衡仍然具有挑战性。为了解决这一矛盾，研究人员通过诱导细菌纤维素（BC）纳米纤维的方向性排列，开发出一种有序分层的水凝胶电解质（OHHE）。这种有序的通道结构使得锌离子（Zn²⁺）的迁移速度显著提高，从而实现了高离子导电性（36.19 mS cm^?1）和较高的锌离子传输数（0.75），有助于锌离子流动的均匀分布。此外，分层纤维界面通过纳米纤维之间的相互连接以及增强的氢键网络实现了机械强化（抗拉强度为27.35 MPa，杨氏模量为127.81 MPa，韧性为5.60 MJ m^?3），有效抑制了枝晶的生长。同时，这种密集的氢键网络将自由水牢固地固定在锌-水凝胶电解质界面，从而减少了副反应的发生。得益于这种三重协同机制，Zn//Zn对称电池在电流密度为3 mA cm^?2/3 mAh cm^?2的条件下可稳定运行超过1600小时；在放电深度为42%的情况下，电池仍能持续运行超过1400小时。另外，使用NaV₃O₈·1.5H₂O作为正极的完整电池在5 A g^?1

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究的数据可应合理要求向通讯作者索取。