南方科技大学曾林副教授：“凝胶-电解液”交替阵列水凝胶电解质|交替阵列|南方科技大学|水凝胶|电解液|电解质

“凝胶-电解液”交替阵列水凝胶电解质

题目：Zincophilic Vertically Aligned Hydrogel Electrolyte With Enhanced Ion Transport and Dendrite Suppression for Stable Zinc-Ion Batteries

作者：Yuke Zhou, Xiyan Wei, Yuwei Li, Xianbin Wei, Yongbiao Mu, Zifan Liao, Huicun Gu, Meisheng Han, Lin Zeng

DOI：10.1002/cnl2.70116

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70116

第一作者：周钰轲

通讯作者：慕永彪，曾林

单位：南方科技大学

研究背景

“双碳”的愿景促进了可再生能源的发展，风电、水电、太阳能等可再生能源设备数量剧增，然而，上述可再生能源往往存在地域性、气候性和季节性的限制，使其无法满足全球化和智能化发展所需的便携稳定的能量供给。基于上述背景，可充电电池因其高能量密度和便携性脱颖而出。在众多可充电电池中，锌离子电池因高安全性、对环境友好和高理论容量等优势成为下一代大型储能设备的高潜力候选者。然而，锌负极的不稳定性严重危害了锌离子电池的循环稳定性，枝晶生长和副反应的发生，往往将锌离子电池的循环寿命限制在几十到几百小时。为解决这些问题，学界提出了活性水更少、性质更稳定的水凝胶电解质。水凝胶电解质策略显著地提高了锌负极的寿命，为获得优异传导性能的水凝胶电解质，大量的研究致力于制备拥有均匀分布的快速离子传导通道水凝胶，然而，传统的水凝胶工艺往往难以兼顾稳定制备、可重现、通道均匀分布、通道路径短、抑制锌负极副反应、优异机械性能等多个方面。因此，基于上述的能源发展趋势、锌离子电池难题和水凝胶电解质工艺不稳定的多重背景，一个简单可重现且性能优异的水凝胶电解质制备工艺对推进锌离子电池稳定应用具有十分重要的作用。

成果介绍

南方科技大学曾林副教授团队通过模板法热聚合了一种“凝胶-电解液”交替阵列水凝胶电解质，利用均匀分布的模板，制备出拥有垂直阵列的多孔水凝胶，垂直阵列的孔洞中可以储存电解液，为锌离子传导提供最短的扩散路径，并利用均匀分布且孔径一致的孔洞实现锌离子的均匀沉积。此外，凝胶和电解液中都存在大量的含F官能团，可显著束缚水分子活性，抑制HER，最终，对称电池实现了4000 h的循环寿命。该工作为制备可控水凝胶电解质提供了理论指导，成果以“Zincophilic Vertically Aligned Hydrogel Electrolyte With Enhanced Ion Transport and Dendrite Suppression for Stable Zinc-Ion Batteries”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、模板法制备的水凝胶电解质重复性高，垂直孔洞分布均匀，为锌离子提供均匀的快速传输通道；

2、水凝胶和电解液中含高浓度TFSI-基团，减少了活性水，可有效限制HER的发生；

3、“凝胶-液态”交替的电解质阵列可解决凝胶电解质传导缓慢和界面接触差的问题；

4、锌离子在垂直电极方向迁移快，但平行方向被凝胶减缓，可抑制锌离子向某一区域聚集，进而抑制枝晶生长。

本文要点

要点一

“凝胶-液态”垂直阵列水凝胶制备

图1：（a）模板法制备多孔垂直阵列水凝胶示意图。（b）凝胶为离子传输提供快速通道。

图1展示了该垂直阵列水凝胶的制备方法，从图1a可见，利用模板可制备出性质相同、孔径相同、分布均匀、孔洞可调控的垂直阵列水凝胶，同时，相比于传统的气体造孔或真空干燥造孔，该策略可重复性和性质统一性更高，更适合大面积制备。

要点二

电解质传导性和HER抑制能力

图2：（a，b）凝胶电解质的SEM图。（c）o-PAM（有垂直阵列）和r-PAM（无垂直阵列）的电导率。含不同浓度TFSI-电解质的（d，e）Raman光谱，（f）LSV测试。

在图2（a，b）图中可以看到凝胶电解质的均匀多孔结构，这为锌离子传输提供了均匀的快速通道，图2c中的电导率验证了这一点。同时凝胶阻碍锌离子向其他区域快速聚集，解决了凝胶电解质传导难和电解液电荷容易聚集的问题。图2d-2f验证了高浓度TFSI-可改变氢键网络，抑制HER。然而，高浓度的锌离子电解质往往带来更低的pH，这会加剧HER，同时，Zn（TFSI）2溶解度有限，无法提供足够TFSI-官能团来抑制HER。因此，高浓度的Zn（TFSI）2并不利于电池稳定运行，而高浓度的LiTFSI则可解决上述问题，并实现对HER的抑制。

要点三

优异的锌负极稳定性

图3：锌||锌和锌||钛电池的电化学性能。锌||钛电池在不同电流密度下的（a）库伦效率，（b）沉积剥离曲线和（c）平均库伦效率。（d-g）不同条件下锌||锌对称电池的长循环性能。（h）与其他报道的水凝胶性能对比图。

图3a-3c展示了该水凝胶电解质的可以实现不同电流密度下高可逆的锌负极。图3d-3h验证了该电解质可显著提升锌负极稳定性，在小电流下可以达到4000 h的循环寿命，这正是副反应和枝晶生长被有效抑制的表现。

要点四

锌沉积行为分析

图4：（a，b）用不同电解质循环后锌负极的XRD谱图。用（c）o-PAM和（d）r-PAM循环后的锌负极SEM。（e-f）不同电解质在电流密度和锌离子分布的Comsol模拟。

图4a-4d展示了o-PAM对锌沉积行为的影响，从循环后锌负极的XRD谱图和SEM可以看到，o-PAM能够引导锌平整沉积。从Comsol模拟可以看到，有垂直阵列的水凝胶电解质，电流和锌离子更倾向于分布在孔洞部分，这为锌离子的快速迁移提供了更大驱动力。同时，因为凝胶电解质的阻隔，锌离子难以脱离孔洞部分，这抑制了锌离子的大量聚集，进一步抑制了大尺寸锌枝晶的出现。

要点五

全电池电化学性能

图5：锌||碘电池（a）在1 A g-1下的长循环性能，（b）原位EIS，（c）倍率性能，（d）倍率测试充放电曲线，（e）5 A g-1下的长循环性能。（f）锌||二氧化钒电池在5 A g-1下的长循环性能。

图5展示了，在不同电流密度下，全电池都表现出优异的长循环稳定性和优异的容量保持率。此外，高浓度的TFSI-并未带来不利于电池稳定运行的正极溶解或副反应发生，此电解质在锌||碘全电池和锌||二氧化钒电池中都能稳定运行，验证了该电解质的实用性。

本文小结

该工作通过模板法热聚合了一种“凝胶-电解液”交替阵列水凝胶电解质，该多孔水凝胶为锌离子传导提供最短的扩散路径，并利用均匀分布且孔径一致的孔洞实现锌离子的均匀沉积。此外，此电解质存在大量的含F官能团，可显著束缚水分子活性，抑制HER，最终，对称电池实现了4000 h的循环寿命。这种模板法制备的水凝胶的策略，具有可控、可重复的优点，是一种具有指导意义的水凝胶结构设计策略。

作者介绍

第一作者

周钰轲

南方科技大学机械与能源工程系本科生，导师曾林副教授。已在Carbon Neutralization，ACS Nano，Advanced Energy Materials等高水平期刊发表文章5篇，专利1篇，现于新加坡国立大学攻读硕士学位。

通讯作者

慕永彪

南方科技大学博士，从事高比能锂电池固态电解质、水系锌电池关键材料等研究工作。以通讯作者/第一作者/共同一作在Carbon Neutralization，Nature Communications，Science Advances，Energy & Environmental Science等高水平期刊上发表文章逾50篇，论文总引用逾4000次，H因子33。

通讯作者

曾林

南方科技大学机械与能源工程系长聘副教授，博士生导师。研究方向为燃料电池、电解水以及电化学储能材料与器件的研发。已在Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Advanced Materials、Nature Communications等期刊发表SCI论文200余篇，其中一作/通讯论文140余篇，论文总引用12000余次，H因子54，连续两年入选美国斯坦福大学发布的全球“终身科学影响力排行榜”（2024-2025），连续五年入选“全球前2%顶尖科学家”榜单（2021-2025）。担任Advanced Powder Materials、Sustainable Chemistry for Energy Materials等期刊青年编委。

团队招聘

南方科技大学曾林课题组招聘二次电池、电解水方向博士后课题组长期招聘电解水制氢、锌离子电池和固态电池等研究领域的博士后，课题组可以提供冷冻电镜(Cryo-TEM)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、台式X射线吸收精细结构/发射谱仪(XAFS/XES)、原位XRD以及原位Raman、原位红外等多种高端分析表征。

感兴趣者请联系zengl3@sustech.edu.cn。

团队近期研究进展推荐

1、 Zhiyu Zou, Yongbiao Mu, Meisheng Han*, Youqi Chu, Jie Liu, Kunxiong Zheng, Qing Zhang, Manrong Song, Qinping Jian, Yilin Wang, Hengyuan Hu, Fenghua Yu, Wenjia Li, Lei Wei, Lin Zeng*, Tianshou Zhao*, “Integrated Polyanion-Layered Oxide Cathodes Enabling 100,000 Cycle Life for Sodium-Ion Batteries”, Energy & Environmental Science, 18 (2025), 2216-2230.

2、 Jiafeng He#, Yongbiao Mu#, Bu-ke Wu, Fuhai Wu, Ruixi Liao, Hongfei Li, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “Synergistic effects of Lewis acid–base and Coulombic interactions for high-performance Zn–I2 batteries”, Energy & Environmental Science, 17 (2024), 323-331.

3、 Xiyan Wei#, Yongbiao Mu#, Jian Chen#, Yuke Zhou, Youqi Chu, Lin Yang, Chaozhu Huang, Tao Xue, Limin Zang*, Chao Yang*, Lin Zeng*, “Optimizing Zn (100) Deposition via Crystal Plane Shielding Effect towards Ultra-High Rate and Stable Zinc Anode”, Energy Storage Materials, 75 (2025), 104026.

4、 Yongbiao Mu#, Zheng Li#, Bu-ke Wu#, Haodong Huang, Fuhai Wu, Youqi Chu, Lingfeng Zou, Ming Yang, Jiafeng He, Ling Ye, Meisheng Han, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “3D hierarchical graphene matrices enable stable Zn anodes for aqueous Zn batteries”, Nature Communications, 14 (2023), 4205.

5、 Yongbiao Mu#, Meisheng Han#, Buke Wu#, Yameng Wang, Zhenwei Li, Jiaxing Li, Zheng Li, Shuai Wang, Jiayu Wan*, Lin Zeng*, “Nitrogen, Oxygen-codoped Vertical Graphene Arrays Coated 3D Flexible Carbon Fibers with High Silicon Content as an Ultrastable Anode for Superior Lithium Storage”, Advanced Science, 9 (2022), 2104685.

6、 Buke Wu#, Binbin Guo#, Yuzhu Chen#, Yongbiao Mu, Hongqiao Qu, Meng Lin*, Jiaming Bai*, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “High Zinc Utilization Aqueous Zinc Ion Batteries Enabled by 3D Printed Graphene Arrays”, Energy Storage Materials, 54 (2023), 75-84.

7、 Quanyan Man, Yongbiao Mu*, Lin Yang, Maokun Li, Huicun Gu, Xiaoqian Xu, Zijian Qiu, Chao Yang, Meisheng Han, Guangmin Zhou*, Lin Zeng*, “Electron Push-Pull Engineering Enables Sustainable, Anti-Corrosive, and Nonflammable Phosphate Electrolytes for Long-Lifespan Lithium-Sulfur Batteries”, Energy & Environmental Science, 2026.

Ling Wang, Peng Ji, Na Li*, Jing Li, Yi-Lin Liu*, Jinpeng Guan, Zhaoyu Wang, Haiyang Fu, Yongbiao Mu*, Lin Zeng*, “Advancements and Challenges in Aqueous Zinc-Iodine Batteries: Strategies for Enhanced Performance and Stability”, Electrochemical Energy Reviews, 8, 34 (2025).

期刊介绍

发展历程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。