锌-空气电池（ZAB）具有能量密度高、成本低、环保和原材料丰富等优点，在储能领域显示出巨大的应用潜力。作为ZAB的重要组成部分，电解质在促进Zn2+和氧中间体等活性物质的高效传输方面发挥着重要作用。凝胶聚合物电解质（GPE）具有高安全性和优异的离子传输能力，可显著提升柔性锌-空气电池（FZAB）的电化学性能、稳定性和安全性。在FZAB中，虽然以聚乙烯醇（PVA）为代表的GPE已被广泛研究，但其仍存在保水能力弱、与锌阳极匹配性差、高温挥发和低温冻结等问题，限制了PVA水凝胶基GPE在极端环境中的应用。开发具有宽温域、优异保液能力和与锌阳极兼容性好的GPE，实现FZAB电化学性能的提升及其在宽温域的应用具有重要意义。近日，新疆大学吴冬玲教授团队成功开发出一种由氯化胆碱（ChCl）和乙二醇（EG）低共熔溶剂（DES）形成的PVA基低共熔凝胶。由于胆碱阳离子（Ch+）对金属阳极的界面调控以及DES诱导的强氢键相互作用和更密集的聚合物网络，低共熔凝胶有效抑制了锌枝晶生长，具有突出的保液能力（在空气中暴露96 h后为93.7 %）、高离子电导率（171.3 mS cm-1）和宽工作温度范围（-40 ~ 50 oC）。由低共熔凝胶电解质组装的FZAB在-40 oC时具有38.2 mW cm-2的功率密度，在50 oC时具有63.2 mW cm-2的功率密度，显示出在极端环境下的应用潜力。该研究以题为“Advanced Eutectogel Electrolyte for High-Performance and Wide-Temperature Flexible Zinc-Air Batteries”的论文发表在最新一期的国际知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。
【凝胶理化性质及分子动力学模拟】
与水凝胶相比，制备的低共熔凝胶具有优异的抗冻性和抗干燥能力。通过FT-IR、Raman和SAXS分析表明，DES增强了PVA间的相互作用，提升了氢键强度、聚合物网络的密集程度。SECM证明了低共熔凝胶具有优异的离子传输能力。同时，分子动力学模拟证实了低共熔凝胶中存在更多的氢键和更强的相互作用。
图1. 低共熔凝胶的（a）制备流程图、（b）机械性能、（c）抗干燥能力，和（d）SECM渐进曲线。（e-f）不同凝胶电解质的分子动力学模拟
【Ch+对锌阳极的界面调控】
Zeta电位、XPS、接触角结果表明Ch+可通过表面静电相互作用优先吸附到Zn箔上，调节了离子在电极界面上的分布，DFT理论计算证实了Ch+对锌阳极具有更强的热力学亲和力，从而抑制了枝晶的生长。通过Zn||Zn对称电池循环测试进一步验证了低共熔凝胶电解质与Zn阳极的相容性。
图2.（a）Zeta电位、（b-d）接触角、（e）N 1s XPS光谱、（f）DFT计算、（g）Zn||Zn对称电池循环，和（h）SEM图像
总结：作者提出了一种低共熔溶剂改性的PVA基凝胶聚合物电解质的新策略。低共熔溶剂的加入增加了氢键数量，增强了氢键强度，并提高了聚合物网络之间的交联程度。Ch+能够优先静电吸附在锌阳极表面，从而增加了界面迁移能垒，抑制了枝晶的生长。使用该低共熔凝胶电解质组装的FZAB表现出优异的输出功率密度、较长的循环寿命和宽温域适应性。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202418223
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