吉林大学徐吉静/宋丽娜AEM: 原位共聚 ZrO₂水凝胶：解锁锌离子电池高速率与超长循环的密码

文章总结

研究背景：水系锌离子电池（AZIBs）因锌金属的高理论容量和能量密度应用前景广阔，但锌枝晶生长、副反应和腐蚀问题限制其长期运行。功能水凝胶电解质可抑制锌枝晶生长和副反应，但传统水凝胶电解质存在离子电导率差、无法固定自由水分子等问题，需开发新策略。

实验方法：将 ZrO₂与丙烯酰胺（AM）和 2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸（AMPS）原位共聚合成 PAAHE@ZrO₂水凝胶电解质。通过多种表征手段研究其结构、内部相互作用、锌离子传输机制等，并组装电池测试电化学性能。

实验结果

结构与相互作用：ZrO₂均匀分散在水凝胶中，与 - SO₃H 和 - OH 发生相互作用，不仅抑制水的活性，还提供额外离子传输通道，增强水凝胶保水性。

锌离子传输机制：PAAHE@ZrO₂离子电导率达 38.3 mS cm⁻¹ ，锌离子迁移数为 0.63，扩散系数为 4.17×10⁻⁹ m² s⁻¹ ，远高于 PAAHE。其改变了锌离子溶剂化结构，降低聚合物链与锌离子吸引力，形成新的跳跃传输路径。

电化学性能：基于 PAAHE@ZrO₂的不对称 Zn||Cu 电池循环 1200 次，库伦效率达 99.7%；Zn||Zn 对称电池在 1.0 mA cm⁻² 下循环 3400 小时，过电位低；在 8.0 mA cm⁻² 高电流密度下也表现出优异稳定性。

稳定锌阳极：PAAHE@ZrO₂使锌离子沉积为 3D 扩散过程，抑制枝晶生长和副反应，提高锌阳极耐腐蚀性，减少氢气析出。

准固态电池性能与应用：PANI||PAAHE@ZrO₂||Zn 全电池界面电阻低，锌离子扩散系数高，循环稳定性好。在 1 A g⁻¹ 下循环 1500 次，容量保持率 79.2%；在 2 A g⁻¹ 下循环 500 次，容量保持率 88.7%。柔性软包电池性能良好，可稳定循环。

研究结论：通过原位聚合制备的 ZrO₂陶瓷水凝胶电解质构建了新的离子通道，实现锌离子快速传输和均匀沉积。基于此电解质的锌离子电池和全电池倍率性能和循环稳定性优异，为其他电池系统中新型水凝胶电解质开发提供了新途径。

图文简介

a）、b）传统水凝胶示意图、锌离子传输路径以及水凝胶锌离子电池（ZIB）存在的科学问题。c）、d）添加氧化锆的水凝胶示意图、多种锌离子传输路径以及均匀沉积的锌离子电池（ZIB）。

PAAHE@ZrO₂的离子传输性能研究

电解质对对称及非对称电池性能的影响

PAAHE@ZrO₂对稳定锌阳极的作用

论文信息

通讯作者： Li-Na Song, Ji-Jing Xu