水凝胶电解质分子工程实现90°C高温下锌电池99%库伦效率的长寿命设计

研究人员针对传统水系锌电池(ZBs)在高温环境下水分子活性过高导致性能衰减的问题，通过分子工程设计了含聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯(PMEM)和N-羟乙基丙烯酰胺(HEAA)的水凝胶电解质(HPG)。该设计通过降低水含量至35wt%并构建柔性聚合物链网络，在室温(RT)和90°C高温(HT)下分别实现了~100%和~99%的库伦效率(CE)，Zn||Zn对称电池循环寿命达7,500小时，Zn||Zn0.25V2O5·nH2O全电池在90°C下循环750次容量保持率90%。该研究为宽温域水系电池开发提供了新思路。

　　

在能源存储领域，水系锌电池(ZBs)因其高理论容量(820 mAh g^-1)、本征安全性和低成本等优势备受关注。然而，传统电解液中丰富的水分子在高温下会引发严重的副反应——锌负极腐蚀、枝晶生长和析氢反应(HER)等问题，导致电池性能急剧衰减。特别是在超过60°C的极端环境下，水分子活性显著增强，使得电池循环寿命和库伦效率(CE)大幅降低。如何设计既能保持高离子电导率又能抑制水活性的电解质，成为开发宽温域锌电池的关键挑战。

香港城市大学的研究团队通过分子工程创新设计了一种新型水凝胶电解质(HPG)，该电解质由聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯(PMEM)和N-羟乙基丙烯酰胺(HEAA)构成聚合物骨架，通过精确调控水含量至35wt%，在90°C高温下实现了99%的库伦效率，相关成果发表在《Joule》期刊。研究人员采用紫外光引发聚合制备HPG，结合分子动力学(MD)模拟、电化学阻抗谱(EIS)、差示扫描量热法(DSC)和低场核磁共振(LF-NMR)等技术，系统研究了水分子状态与电化学性能的构效关系。

在"Results and discussion"部分，研究首先展示了HPG的制备与表征。通过ATR-FTIR证实了聚合反应的成功，热重分析显示聚合物骨架在260°C内保持稳定。离子电导率测试表明，HPG-35wt%在室温下达到3.9×10^-3 S cm^-1，比传统PAM水凝胶高一个数量级。线性扫描伏安法(LSV)证实降低水含量可显著拓宽电化学稳定窗口(ESW)，在20wt%水含量时ESW达2.9V。

关于锌负极稳定性的研究发现，HPG-35wt%组装的Zn||Zn对称电池在室温下循环7,500小时，极化电压保持稳定；在90°C高温下仍能稳定运行1,000小时。扫描电镜(SEM)显示使用HPG的锌沉积形貌平整致密，而传统电解液则产生多孔松散结构。原子力显微镜(AFM)进一步证实HPG使锌表面粗糙度(约20nm)显著低于常规电解液(约90nm)。通过DEMS检测发现，HPG将析氢强度降低至传统电解液的1/3。

分子机制研究表明，在降低水含量条件下，Zn²⁺的溶剂化环境由水主导转变为以PMEM中的醚氧(EO)为主。MD模拟显示，35wt%水含量时Zn²⁺与EO的配位数达6.40，而与水的配位数仅0.53。DFT计算证实HEAA与水分子间存在强氢键(-6.89 kcal mol^-1)，LF-NMR显示自由水转化为结合水，这些相互作用有效抑制了水分子活性。

全电池性能测试显示，Zn||Zn_0.25V₂O₅·nH₂O电池在0.7A g^-1下循环2,300次容量保持92%，90°C高温下循环750次容量保持90%且CE接近100%。软包电池在90°C循环300次未出现胀气现象，而传统电解液电池12小时即发生明显膨胀。通过碘和普鲁士蓝类似物(CnFe PBA)正极的测试进一步验证了HPG的普适性。

在"Conclusions"部分，研究团队指出这项工作通过分子工程设计的HPG电解质，实现了从室温到90°C的宽温域稳定工作，突破了传统水系电池60°C的温度限制。其创新性体现在：(1)通过降低水含量和构建强氢键网络抑制水活性；(2)利用柔性EO链段促进Zn²⁺传输；(3)平衡离子电导率与电化学稳定性的矛盾需求。该研究为开发极端环境适用的储能器件提供了重要参考，推动水系电池向更广阔的应用场景发展。