综述：基于含盐水凝胶电解质的可变形水系锂离子电池的开发

水基锂离子电池（ALIBs）通过水-盐电解质（WiSE）及其水凝胶衍生物（WiS-HGE）克服传统有机电解质的局限，扩展电化学稳定窗口至3V以上，兼具安全性、环境友好性和机械柔韧性，适用于可穿戴设备、软机器人等变形应用。挑战包括高盐浓度导致的电解质粘稠、低温性能受限及氟化物毒性，未来需通过多盐策略、界面工程、自愈材料及跨学科创新提升性能。

　　
随着柔性电子、可穿戴设备和软体机器人的快速发展，对可变形能源存储系统的需求日益迫切。水基锂离子电池（Aqueous Lithium-Ion Batteries, ALIBs）凭借其非易燃、高安全性和环境友好性成为研究热点。然而，传统水基电解质因电化学稳定性窗口（Electrochemical Stability Window, ESW）窄、易引发副反应等问题，难以支持高电压操作。近年来，水-盐电解质（Water-in-Salt Electrolytes, WiSEs）及其水凝胶衍生物（WiS-HGEs）的突破性进展，为解决上述瓶颈提供了新思路。本文系统梳理了WiSEs与WiS-HGEs的机理创新、材料设计策略及可变形电池的实际应用，并探讨了未来发展方向。

### 一、WiSEs的机理创新与性能突破
水-盐电解质的核心在于通过高盐浓度（通常超过20 m）重构锂离子的溶剂化结构。传统水基电解质中，水分子作为主要溶剂，与锂离子形成稳定的四水合锂离子（Li4H2O）结构。但当盐浓度升高时，水分子与盐离子的配位比例显著降低，导致自由水分子减少，从而抑制水的氧化还原副反应。例如，LiTFSI浓度达25 m时，水分子与锂离子的配位比例从4:1降至2.6:1，使得ESW从传统水基电解质的1.23 V扩展至3.2 V以上。这种结构重构不仅拓宽了电压窗口，还通过盐离子（如TFSI?）与水分子竞争配位，促进稳定固体电解质界面（SEI）的形成，显著提升电池循环寿命。

为解决WiSEs的高成本、高毒性及环境问题，研究者尝试开发氟化物替代电解质。例如，采用LiCl盐的Zwitterionic水凝胶（WZH）电解质，在保持2.97 V宽ESW的同时，通过极性分子网络与锂离子协同作用，将水分子活度降低至传统电解质的1/5以下。这种设计使电池无需密封包装即可在潮湿环境中稳定工作，且LiCl的合成路径更短，成本仅为LiTFSI的1/3。

### 二、WiS-HGEs的机械兼容性设计
水凝胶电解质（WiS-HGE）将WiSEs的高电压窗口与水凝胶的柔性特性结合。通过调控聚合物基质与盐离子的相互作用，WiS-HGE在机械性能与离子传输之间实现平衡。例如，SiO2增强型聚丙烯酰胺-壳聚糖复合水凝胶，通过纳米填料构建三维锂离子通道，离子电导率达51.3 mS/cm，同时拉伸性达1740%。这种结构设计利用氢键网络和离子配位协同作用，既维持了高机械模量（240 kPa），又确保了离子快速迁移。

针对柔性电池的包装难题，WiS-HGE通过降低水分活性（如LiNO3-WiS-HGE系统水分活度降低至0.1以下），结合弹性封装材料（如PDMS与液态金属复合膜），实现非密封包装下的长期稳定性。实验表明，采用WZH电解质的可拉伸电池在经历2000次弯折后仍保持90%容量，且穿刺损伤后可通过加热（70℃）实现自修复。

### 三、可变形电池的集成策略
可变形电池的机械适应性依赖于各组件的协同设计：
1. **电极材料革新**：采用层状结构稳定化的正极材料（如LCO、LFP纳米晶）和预锂化二维过渡金属氧化物（如V2O5），在提高比容量的同时增强机械延展性。例如，预锂化V2O5电极在50%拉伸应变下仍能保持稳定界面接触。
2. **电流收集器设计**：开发多层级复合集流器（如Ag纳米线-弹性聚合物复合膜），在保证导电性的前提下实现超拉伸（>100%）。此类结构在拉伸过程中通过微裂纹的电阻自愈机制维持导电性。
3. **三维电极结构**：通过纤维状电极（如碳纳米管-石墨烯复合纤维）和螺旋卷绕设计，将电极厚度从传统电池的数百微米降至数十微米，同时将能量密度提升至35 Wh/kg。这种架构利用纤维的弹性形变分散机械应力，避免局部过载。

### 四、关键挑战与未来方向
尽管技术进展显著，仍存在三大核心挑战：
1. **能量密度瓶颈**：当前WiS-HGE的离子电导率（1-51.3 mS/cm）仅为传统有机电解质的1/10-1/5。需通过分子 crowding效应（如引入聚电解质大分子）或离子通道工程（如3D网络结构）提升离子迁移效率。
2. **低温性能衰减**：在-20℃以下，WiSEs的离子电导率下降至0.1 mS/cm以下。需开发盐-溶剂协同增溶体系（如LiClO4与甘油混合溶剂），或引入相变材料补偿低温相变带来的离子迁移受阻。
3. **长期循环稳定性**：现有WiS-HGE的循环寿命多局限于2000次以内。需通过动态SEI调控（如添加离子液体稳定剂）和机械-化学耦合自修复机制（如pH响应聚合物）实现长期稳定。

未来发展方向包括：
- **双盐协同体系**：结合LiCl（高导电性）与LiClO4（宽ESW），通过相分离构建双相电解质，实现离子传输与机械强度的协同优化。
- **仿生封装技术**：借鉴肌肉纤维的多层复合结构，开发仿生封装膜（如外层致密氟聚合物+内层弹性水凝胶），兼顾透气性与机械强度。
- **可逆溶剂化网络**：设计动态氢键网络（如引入糖基聚合物），在离子迁移时释放束缚水分子，维持溶剂化结构稳定性。

### 五、应用场景与技术经济性分析
当前WiS-HGE技术已成功应用于柔性传感器（应变>500%）、可穿戴设备（贴片式柔性电池能量密度达20 Wh/kg）和植入式医疗装置（10年循环稳定性）。但大规模应用仍受制于成本（氟盐占比>60%）和制造工艺复杂度。通过替代氟盐（如LiNO3、LiCl）、简化封装（液态金属封装成本降低至$2/m2）和规模化生产（卷对卷印刷技术），预计未来5年成本可降低40%-60%，推动在可穿戴设备（年复合增长率18%）和工业机器人（年需求增长25%）市场的规模化应用。

### 六、结论
WiSEs与WiS-HGEs的突破性进展，标志着水基锂离子电池从实验室研究迈向产业化应用的关键转折。通过溶剂化结构重构、机械-化学协同设计及环保材料替代，未来可望开发出能量密度达50 Wh/kg、循环寿命超5000次、完全兼容柔性电子封装的下一代可变形电池系统。这一技术路线不仅为可穿戴医疗设备提供了安全可靠的动力单元，更为智能机器人、柔性显示等新兴领域开辟了绿色能源解决方案。