透明质酸增强型PAM/CMC/HA三元复合水凝胶电解质在柔性锌空气电池中的创新应用研究

【编辑推荐】针对柔性锌空气电池(ZABs)存在的机械性能差、电解质易蒸发等问题，研究人员通过将透明质酸(HA)引入聚丙烯酰胺/羧甲基纤维素(PAM/CMC)基质，开发出具有1535.5%吸水率、350%拉伸应变和0.321 S/cm离子电导率的三元复合水凝胶电解质，显著提升了电池的循环稳定性和枝晶抑制能力，为下一代柔性储能器件提供了创新解决方案。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，柔性电子设备的蓬勃发展对储能系统提出了更高要求。传统锂离子电池(LIBs)受限于锂资源稀缺和安全隐患，而液态电解质的锌空气电池(ZABs)又面临泄漏、蒸发等挑战。尽管固态电解质安全性更优，但其离子电导率低下和界面接触不良的问题始终未能突破。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，成为制约柔性ZABs发展的关键瓶颈。

针对这一难题，中国科学院长春应用化学研究所的研究团队另辟蹊径，将目光投向兼具液态电解质高传导性和固态电解质安全性的凝胶聚合物电解质(GPEs)。受生物组织高含水特性的启发，该团队创新性地将天然多糖——透明质酸(Hyaluronic Acid, HA)引入聚丙烯酰胺(Polyacrylamide, PAM)/羧甲基纤维素(Carboxymethyl Cellulose, CMC)体系，构建出新型PAM/CMC/HA三元复合水凝胶电解质。这项突破性研究成果发表在材料科学领域权威期刊《Journal of Alloys and Compounds》上。

研究团队采用溶液共混-原位聚合技术，通过精确调控HA添加量（0.1g/20mL）和交联温度（45℃），成功制备出具有互穿网络结构的水凝胶。X射线衍射(XRD)分析显示复合材料的结晶度降低至21.5°，傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实了组分间氢键相互作用。力学测试中，材料展现出350%拉伸应变和63.13 kPa应力，电化学测试显示其离子电导率达0.321 S/cm，吸水率高达1535.5%。

相分析部分揭示，HA的引入使水凝胶结晶峰宽化并向高角度偏移，表明其有效破坏了PAM/CMC的规整结构，形成更有利于离子传输的无序态。力学性能测试证实，HA通过分子链缠结和氢键网络显著提升了材料的抗变形能力。电化学评估显示，该电解质在6M KOH环境中使ZABs功率密度提升至158 mW/cm²，中性条件下循环寿命延长3倍，并有效抑制锌枝晶生长。

这项研究通过仿生设计策略，巧妙利用HA的生物相容性和超强保水能力，解决了柔性ZABs中电解质蒸发与机械性能难以兼顾的核心矛盾。其重要意义在于：①开发出首例HA增强的三元复合水凝胶电解质体系；②建立了"组分-结构-性能"的构效关系模型；③为开发新一代柔性储能器件提供了普适性材料设计思路。研究团队负责人Na Xu指出，该技术可扩展至其他金属-空气电池体系，在可穿戴医疗设备和柔性显示器等领域具有广阔应用前景。

结论与展望部分强调，PAM/CMC/HA三元体系通过多组分协同效应，实现了机械性能、保水能力和离子传导的"三位一体"优化。未来研究将聚焦于极端温度适应性提升和规模化制备工艺开发。这项工作不仅推动了柔性电池材料的发展，也为生物多糖在能源领域的应用开辟了新途径。