《AEM》浙江大学高超：在宽电压窗口低浓度水凝胶聚电解质设计及高性能锌离子电池方向取得新进展

研究背景

安全、环保、低成本的水系锌离子电池受到广泛关注。拓宽水系电解质电化学稳定窗口（ESW）成为提高水系电池能量密度的有效措施之一。在电极/电解质界面处构建牢固界面相可有效拓宽水系电解质的ESW。

针对锌负极析氢、枝晶、腐蚀等问题，研究人员通过在锌负极表面构建界面相（SEI）改善锌负极电化学性能。锌负极长时间锌电镀/剥离产生剧烈的体积膨胀，使得SEI容易脱落、破碎，进而导致负极失效。相应的锌离子电池只能工作在2 V以下，展现出不尽如意的电化学性能。此外，构建正极电解质界面相（CEI）能够避免正极/电解质界面处水分解，确保正极能够在高电压窗口下稳定工作。相对于构建负极界面相，构建正极界面相的研究比较缺乏。使用Water-in-salt 和deep eutectic 电解质的锌离子电池可以在2.3 V工作，但未观测到正极/电解质界面处形成CEI。因此，同时在锌离子电池负极/电解质和正极/电解质界面处原位构建界面相，对于推动高电压窗口锌离子电池的发展具有重要意义。

水凝胶聚电解质在避免电解质泄露的同时能束缚水，但鲜有报道低浓度水凝胶能够展现出宽电压窗口。这是因为其未能在正负极界面处同时自发原位形成界面相所致。自由基聚合的水凝胶中含有少量残余单体，残余单体可以通过合适的引发交联体系转换为界面相。目前所广泛使用的“过硫酸钾引发剂-MBA交联剂体系”需要加热才能引发，不能在组装的水凝胶基电池中自发引发。因此，发展一种可控/活性自由基引发体系是十分必要的。

据此，浙江大学高分子系高分子科学研究所纳米高分子高超课题组报道了一种聚阳离子引发交联体系。该引发交联体系在加热时能迅速聚合水溶液中的单体转换为水凝胶聚电解质，在室温下能缓慢引发水凝胶聚电解质中的残余单体在组装电池正负极表面形成牢固自愈合界面相。所制备低浓度水凝胶聚电解质的ESW超过3.5V，室温离子电导高达280 mS cm-1。组装的大尺寸软包电池能够在0.2-2.7V的电压窗口稳定工作，并展现出高的能量密度。该工作也为其他水系电池实现高压稳定性提供了参考。相关成果以“Low-concentration hydrogel polyelectrolyte with in-situ formed interphases enables 2.7 V aqueous pouch cell”为题发表于国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》。（DOI：10.1002/aenm. 202300733）。

该论文通讯作者为浙江大学高超教授，第一作者为秦天锋博士。论文中软包电池的组装得到杭州高烯科技有限公司的支持。同时，该论文也得到了国家自然科学基金、中央高校专项基金、山西-浙大新材料与化工研究院等相关经费资助和机构支持。

工作亮点

（1） 提出一种可控/活性引发交联体系。

（2） 制备了单离子水凝胶，实现了高离子电导，提高了水系锌离子电池的倍率。

（3） 正极/水凝胶聚电解质和负极/水凝胶聚电解质界面处自发原位形成牢固、自愈合界面相，拓宽了水凝胶聚电解质的ESW。

（4） 所制备的大尺寸软包电池能够在高电压窗口工作，展现出高的能量密度，且表现出良好的安全性。

图文导读

图1 聚阳离子引发体系自由基形成示意图

图2 所制备水凝胶聚电解质的电化学性能图

图3 锌//锰酸锂电池工作原理示意图

图 4 软包电池结构图及其电化学性能

图 5 软包电池应用及其针刺安全性展示

该论文属于高性能水系储能器件领域、低浓度水系电解液原位构建牢固界面相的工作。该工作是在团队前期的工作（Adv. Mater. 2021, 33, 2007470; J. Mater. Chem. A, 2022,10, 22605-22616; Adv. Mater. 2017, 29, 1605958; 10.1126/sciadv.aao7233）基础上提出并发现的可控/活性自由基引发体系，用来制备高离子电导和宽电压窗口低浓度水凝胶聚电解质，用于高压锌离子电池，这为水系储能的发展奠定了基础。